LoRa WAN: Protokoll-Sicherheit-Anwendung
Datenübertragung im Internet der Dinge
IoT-Netzwerke müssen geringe Datenmengen häufig, über große Reichweiten oder in dichten Gebäuden bei geringem Stromverbrauch übertragen. Die Sensoren im Netzwerk und deren Wartung dürfen dabei nicht allzu viel kosten. Keine geringe Rolle spielt aber auch die Sicherheit der Datenübertragung vom Sensor an das Gateway. Wie all diese Anforderungen erfolgreich gemeistert werden können, erläutert der folgende Beitrag.
LoRa-PHY Layer Packet-Struktur und LoRa-WAN-MAC- und Frame-Definitionen
(LoRa-WAN 1.0.2 Spezifikation) (Bild: Semtech GmbH)
Das Internet der Dinge ist in aller Munde – es stellt aber auch besondere Anforderungen an Netzwerke: wie hohe Reichweite, hohe Frequenz der Datenübertragung und geringen Stromverbrauch. Mit entsprechenden Verfahren und Protokollen erschließt es aber auch neue Anwendungsmöglichkeiten – von der intelligenten Straßenbeleuchtung bis hin zur modernen Landwirtschaft.
Verfahren der Datenübertragung
Als für diese Anforderungen geeignetes Netzwerk basiert z.B. ein LoRa-WAN-Netzwerk auf der LoRa (Long Range, Low Power)-Technologie, die Daten über eine drahtlose Radiofrequenz-(RF)-Technologie überträgt. LoRa regelt dabei auf dem physikalischen Layer des OSI-Schichtenmodells die Übertragung der Signale über die Luft auf RF-Frequenzen bidirektional zwischen RF-Transmitter in einem IoT-Gerät und dem RF-Empfänger an die Gateways. Die Gateways sind dann über die zentrale Managementplattform in der Cloud an die Applikationen angebunden. Ein LoRa-WAN-Protokoll ist die dazu gehörige offene Low-Power-Wide-Area-Network (LPWAN oder auf Deutsch Niedrigenergieweitverkehrnetzwerk)-Spezifikation für drahtlose batteriebetriebene Systeme in einem regionalen, nationalen oder auch globalen Netzwerk. Die LoRa-Technologie und ihr Datenübertragungsverfahren mit proprietären Frequenzspreizungsverfahren und Modulation gewährleisten eine stabile Datenübertragung, egal wie weit sich ein Sender etwa von den empfangenden Gateways befindet – bei möglichst geringem Stromverbrauch. Z.B. wird ein Sensor, der sich in der Nähe eines Gateways befindet, mit einem niedrigen Spreizfaktor senden, da dann nur eine sehr geringe Leistungsübertragungsbilanz – das sogenannte Link Budget – benötigt wird. Damit lässt sich viel Energie sparen. Ein Sensor, der sich mehrere Meilen von einem Gateway entfernt befindet, muss mit einem viel höheren Spreizfaktor senden, da dieser zu einer höheren Empfängerempfindlichkeit führt.
Im Ergebnis wird im zweiten Fall die notwendige höhere Reichweite realisiert, wobei die Datenrate im Gegenzug sinken muss. Das Modulationsverfahren ermöglich durch die Vervielfachung der Datensignale mit einem Spreading Code zur Spreizung eine optimale Sendeleistung bei möglichst niedriger Leistungsaufnahme durch den Transmitter. Je nach Spreizungsfaktor ermöglicht die Signalmodulation unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten und Bitraten über verschiedene Reichweiten. (siehe Abbildung 3). Ein hoher Spreizungsfaktor senkt z.B. zwar die Bitrate und die Signale brauchen natürlich länger für Ihren Weg zur Gateway. Aber Daten können z.B. beim Faktor SF10 über eine Entfernung von bis zu acht Kilometern gesendet werden. Die Tabelle zeigt die vier Spreizfaktoren, die für Uplink-Übertragungen auf einem 125kHz-Kanal im LoRa-Verfahren ausgewählt werden können. Für den 500kHz-Downlink stehen sechs Spreading-Faktoren zur Verfügung. Die Reichweite kann dabei vom Gelände abhängen. In ländlichen Gegenden etwa mit wenigen störenden architektonischen Elementen lassen sich noch deutlich höhere Reichweiten erzielen als in städtischen Umgebungen. Die LoRa-Modulation hat aber noch einen weiteren Vorteil. Signale, die mit verschiedenen Spreizungsfaktoren moduliert wurden und über denselben Frequenzkanal übertragen werden können, stören sich nicht gegenseitig. Ein Baseband-Prozessor kann also bis zu sechs Signale mit verschiedenen Spreizfaktoren aus einem Kanal gleichzeitig verarbeiten, da die verschiedenen Signale für den jeweiligen Empfänger nur als Rauschen wahrgenommen werden. LoRa-Signale sind zudem sehr robust sowohl gegen In-Band- als auch gegen Out-of-Band-Interferenzen. Ihre Unempfindlichkeit gegen Mehrwegeempfang oder Fading sorgt auch in städtischen oder suburbanen Gebieten für eine hohe Reichweite. Dopplerverschiebungen sind kein Problem. Sie verursachen eine vernachlässigbare Verschiebung in der Zeitachse des Baseband-Signals. Diese Toleranz verringert zudem die Notwendigkeit nach einem strengen Referenztaktsignal, so dass sich LoRa-Sensoren und Geräte auch für den mobilen Einsatz eignen. Die Sensoren nutzen zur Datenübertragung zudem unlizensierte ISM-Bänder, so dass die Kosten der Datenübertragung entweder ganz entfallen oder – bei Einsatz eines externen Providers – gering ausfallen.
Netzwerkprotokolle
Für die LoRa-Übertragung ist eine grundlegende Packet-Struktur auf dem Link-Layer durch LoRa-Transceiver von Semtech festgelegt (Abbildung 2). Diese Struktur ermöglicht die Point-to-Point-RF-Übertragung von Daten und Befehlen. Anwender können in einer solchen LoRa-Lösung die Datenprotokolle frei definieren. Mit LoRa-WAN steht aber auch ein Layer-3-Netzwerkprotokoll zur Verfügung. LoRa-WAN ist ein offenes Low-Power-Wide-Area-Networking-Protokoll, das für den Betrieb sensor-basierter Applikationen bei niedrigem Stromverbrauch und hoher Reichweite optimiert ist. Das Netzwerk ermöglicht den Aufbau eines Netzes in Sterntopologie. IoT-Geräte werden über eine Over-the-Air-Activation (OOTA)-Anfrage authentifiziert und in das Netz aufgenommen. Die Verwaltung des Netzes leistet dann eine zentrale Cloud-basierte Instanz, die u.a. das Verhältnis von Übertragungsstärke und Spreading-Faktoren mit Hinblick auf Optimierung des Stromverbrauchs festlegt. Die Managementeinheit routed auch die Daten weiter an den jeweiligen Anwendungsserver in der Cloud. Die Abbildung 1 zeigt, wie die einzelnen LoRa-WAN-Parameter innerhalb des (orange gefärbten) LoRA-Pakets enthalten sind. Das LoRa-WAN-Protokoll versieht die Packete mit einem MAC-Header (MHDR), einer MAC-Payload und einem Message Integrity Code (MIC). Die eigentliche MAC-Payload besteht aus Frame Header, Frame Port und den tatsächlichen zu übertragenden Daten. Die Sterntopologie der LoRa-WAN-Netzwerk-Architektur (Abbildung 2) eignet sich ideal für Netzwerke, deren Betrieb auf batteriebetriebenen Sensoren basiert. Ein Netz in Sterntopologie überträgt nämlich pro Endknoten tatsächlich nur die für die Verbindung relevanten Daten, während in vermaschten Netze zusätzlich Strom für die Weiterleitung von Nachrichten von und zu benachbarten End-Knoten verbraucht wird. Auch die Gateways sind so einfach wie nötig gehalten. Das Gateway empfängt dabei alle LoRa-modulierten Radio-Nachrichten und leitet diese weiter. Jede Nachricht mit einem korrekten CRC-Code wird dann in einem IP-Frame an die Netzwerkserver weitergeleitet. Gateways können an die Netzwerkserver drahtlos über Ethernet-LAN oder auch über eine Mobilfunkverbindung angebunden werden. Ein Netz besteht dabei zum einem aus Macro-Cell-Gateways mit 64 Kanälen für die Übertagung über größere Entfernungen – etwa über eine Stadt hinweg. Zum anderen ermöglichen Pico-Cell-Gateways mit acht Kanälen die Datenübertragung in dichtbebauten Gebieten oder auch schwer auszuleuchtenden Arealen wie Untergeschossen. Eine höhere Anzahl der Pico-Gateways in einem Netz erhöht die Lebensdauer der Sensorbatterien. Denn die geringere Distanz zwischen End-Knoten und Gateway ermöglicht die Übertragung der LoRA-Radio-Pakete mit einem geringeren Spreizungsfaktor und verkürzt die Dauer der Übertragung.
