Felix Schumann
FG Ingenieurgeologie, TU Berlin
Zur Untersuchung des lokalen Temperaturfeldes im Untergrund des Hochschulcampus Berlin-Charlottenburg wird ein geothermisches Monitoring durchgeführt. Im Rahmen des Monitorings werden Temperatur und Druckspiegel an mehreren Grundwassermessstellen erfasst. Durch die Einrichtung einer LoRaWAN-Technologie wird es ermöglicht, Messsysteme an schwer zugänglichen Orten mit dem Internet of Things (IoT) zu verbinden. Das LoRaWAN-Netzwerk am HCBC wurde als modulare Schicht in die zentrale Energy Monitoring Unit (EMU) eingebunden, womit das 2019 festgelegte Monitoring-Konzept umgesetzt wird.
LoRaWAN als Kommunikationstechnologie
Bei einigen IoT-Anwendungen sind herkömmliche Kommunikationstechnologien wie Bluetooth oder WLAN ungeeignet, da sie entweder in ihrer Reichweite limitiert sind oder einen zu hohen Energieverbrauch besitzen. Mit LoRaWAN wurde 2015 von der LoRa-Alliance eine Technologie entwickelt, die eine stabile Verbindung und hohe Reichweite bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch aufweist. Eine LoRaWAN-Verbindung besteht aus einer physischen und digitalen Schicht, bei der Prinzipien wie Open-Source, Interoperabilität und geteilte Ressourcennutzung verfolgt werden. LoRaWAN-fähige Endgeräte kommunizieren über Funkwellen im Radio-Spektrum (LoRa) mit einem internetfähigen Gateway (WAN). Die Informationen werden über unlizenzierte und frei verfügbare Frequenzbänder bidirektional an einen Server weitergeleitet. Der Spektralbereich der für LoRa reservierten Frequenzen ist länderabhängig und beträgt innerhalb der EU 863-870 MHz. Die Intensität bzw. Empfang des Signals hängt primär von Dämpfungsfaktoren für die Ausbreitung von Funkwellen in der Umgebung ab, sodass eine maximale Reichweite auf flachen Ebenen von bis zu 40 km erreicht wird, sie im urbanen Raum jedoch auf einige 100 m sinken kann. Sekundär ist die Reichweite von der topographischen Relation der kommunizierenden Geräte abhängig. Zur Minimierung des Energieverbrauch erfolgt der Datentransfer über das Versenden von sog. Payloads (kleine Datenpakete) innerhalb von vorgegebenen Aktivitätsfenstern. Die Übertragungsrate kann zwischen 0.3-50.0 kb/s variieren, die Latenzzeit beträgt wenige Sekunden.
Architektur von LoRaWAN-Netzwerken
Durch der Schnittstelle des Gateways mit dem Internet sowie dem Verschlüsselungskonzept des LoRaWAN-Protokolls, wird LoRaWAN-Technologie üblicherweise im Rahmen eines Netzwerks implementiert. Für den Datenverkehr zwischen den Endgeräten und Gateway mittels Funkverbindung wird das LoRaWAN-Protokoll genutzt. Die Kommunikation zwischen Gateway und Netzwerkserver wird über das Internetprotokoll abgewickelt. Zusätzlich wird eine Datenbank implementiert, die im Kontext von LoRaWAN als Anwendungsserver bezeichnet wird.
Durch Verwendung von mehreren Schlüsseln ist während der gesamten Datenübertragung eine End-to-End-Verschlüsselung gewährleistet. Die Datenübertragung mittels LoRa-Signal ist öffentlich empfangbar, weshalb das LoRaWAN-Protokoll vor allem auf einem intelligenten Verschlüsselungskonzept basiert. Jedes LoRaWAN-fähige Gerät besitzt eine einzigartige Geräte-ID, die von der LoRa-Alliance in Lizenz vergeben werden. Zusätzlich werden vom Administrator statische 128-Bit Schlüssel festgelegt, welche bei der Registrierung des Endgeräts an den Netzwerkserver übermittelt werden. Der Netzwerkserver generiert eine sog. AppNonce aus welcher zusammen mit den statischen Schlüsseln die Session-Keys abgeleitet werden. Anschließend wird damit der Datenverkehr dynamisch verschlüsselt.
Komponenten des LoRaWAN-Netzwerks am HCBC
Das LoRaWAN-Netzwerk am HCBC stellt eine skalierbare, offene Netzwerkstruktur dar, die sich mit anderen Systemen wie EMU koppeln lässt. Nach der Pilotphase können die bisherigen Sensoren perspektivisch durch weitere LoRaWAN-fähige Datenloggern ersetzt, oder auch andere Komponenten in das Netzwerk integriert werden.
