Verschiedene Betriebsklassen von LoRaWAN einfach erklärt

Im letzten Blog wurde der Aufbau und die Funktionsweise von LoRaWAN Funknetzwerken erklärt. Zur Vereinfachung wurden nur Sensoren als Endgeräte erwähnt. Es gibt jedoch auch Anwendungen, bei denen andere Geräte, wie zum Beispiel Schaltaktoren, mit der LoRaWAN-Technologie drahtlos kommunizieren. Je nach Anforderungen arbeiten sie in verschiedenen Betriebsklassen. Für alle unterschiedlichen Endgeräte wird in diesem Blog der Sammelbegriff «Gerät» verwendet.

Die Klassen A, B und C im Überblick

Allen Klassen gemeinsam ist die bidirektionale Kommunikation. LoRaWAN Geräte und Gateways können sowohl Daten senden wie auch empfangen. Eine Datenübertragung zwischen Geräten und Gateways ist daher in beide Richtungen umsetzbar und man unterscheidet zwischen Uplink- und Downlink-Übertragungen. «Uplink-Übertragung» bezeichnet eine Kommunikation vom Gerät zum Gateway und «Downlink-Übertragung» eine Kommunikation vom Gateway zum Gerät. Eine Uplink-Übertragung kann von einem Gerät jederzeit durchgeführt werden. Je nach Klasse gibt es unterschiedlich viele Übertragungsfenster für Downlink-Übertragungen, welche sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten öffnen.

Klasse A

Auf eine Uplink-Übertragung folgen immer zwei kurze Zeitfenster für eine Downlink-Übertragung. In Europa beginnen diese meist 1s und 2s nach dem Ende der Uplink-Übertragung. Während diesen zwei Zeitfenstern muss das Gerät den Empfangsmodus aktiviert haben. In der restlichen Zeit kann das Gerät inklusive des Funkteils in den Schlafmodus versetzt werden um Energie zu sparen. Findet bereits im ersten Zeitfenster eine Downlink-Übertragung statt, kann das zweite Zeitfenster übersprungen werden. Eine Downlink-Übertragung vom Netzwerkserver ist somit nur kurz nach einer Uplink-Übertragung möglich. Sollen weitere Downlink-Übertragungen vom Netzwerkserver erfolgen, muss bis zur nächsten Uplink-Übertragung gewartet werden. Es ist nicht möglich, dass nach dem Anstossen einer Downlink-Übertragung durch den Applikationsserver sofort die Datenübertragung zum Gerät erfolgt. Dadurch können sich in der Datenübertragung vom Server zum Gerät grosse Verzögerungen ergeben. Alle auf dem Markt erhältlichen LoRaWAN-Geräte müssen in jedem Fall die Funktionalität der Klasse A unterstützen.

LoRaWAN Betriebsklasse A

Klasse B

Zu den in der Klasse A definierten zwei Zeitfenstern nach einer Uplink-Übertragung, sind zusätzliche Zeitfenster für Downlink-Übertragungen vorhanden. Um dies zu ermöglichen, werden alle Klasse-B-Geräte in einem LoRaWAN Funknetzwerk synchronisiert. Dazu senden die Gateways alle 128s ein kurzes Funktelegramm, ein sogenanntes Beacon, aus. Durch den Empfang dieses Beacon können sich die Geräte synchronisieren. Zwischen diesen Beacons gibt es 4096 definierte Zeitfenster für eine Downlink-Übertragung. Der Netzwerkserver teilt dem Gerät eines dieser Zeitfenstern zu. Neben der Dauer für Uplink-Übertragungen und den unmittelbar folgenden zwei Zeitfenstern für Downlink-Übertragungen (wie in Klasse A), muss das Gerät zusätzlich nur zu den beiden bekannten Zeitfenstern zum Empfangen des Beacon und einer möglichen Downlink-Übertragung aufwachen. Somit kann das Gerät die meiste Zeit im stromsparenden Schlafmodus verweilen. Eine vom Applikationsserver angestossene Downlink-Übertragung kann somit vom Netzwerkserver im zugeteilten Zeitfenster ausgeführt werden. Die maximale Verzögerung liegt bei 128s.

Klasse C

In der Klasse C sind praktisch dauerhaft geöffnete Fenster für die Downlink-Übertragung vorgesehen. Diese Fenster schliessen sich nur während einer Uplink-Übertragung. Eine durch den Applikationsserver angestossene Downlink-Übertragung kann sofort gestartet werden. Das Gerät kann in dieser Betriebsklasse nie in den Schlafmodus wechseln.

Unterschiedlicher Stromverbrauch

Wenn es um einen besonders stromsparenden Betrieb geht, ist die Klasse A klar vorzuziehen. Hier ergibt sich der geringste Energieverbrauch. Es ist daher wenig verwunderlich, dass die meisten Batteriebetriebenen Endgeräte in einem LoRaWAN die Klasse A verwenden. Ein Betrieb ohne batteriewechsel ist über mehrere Jahre hinweg möglich. Geräte die mit der Klasse C betrieben werden, weisen den höchsten Stromverbrauch auf. Für die Klasse C eignen sich nur netzbetriebene Geräte. Mit der Klasse B wird ein Kompromiss zwischen der grossen Verzögerung einer Downlink-Übertragung der Klasse A und dem grossen Stromverbrauch der Klasse C erreicht.

Anwendungsbeispiele für die verschiedenen Betriebsklassen

Sensoren gehören zu den typischen Anwendungsfällen der Klasse A. Zum Beispiel senden Füllstandssensoren in öffentlichen Abfallbehältern ihre Daten per Uplink-Übertragung in einem festen Zeitintervall oder nach einem Ereignis. Das kann zum Beispiel ein Überschreiten eines Grenzwertes sein. Eine Downlink-Übertragung wird in diesem Fall nicht benötigt.

Für die Fernwartung einer Maschine bietet sich die Klasse B an. Der Status der Maschine kann in einem fixen Intervall einmal pro Tag an den Applikationsserver übermittelt werden. Trotzdem können auf der Maschine vorhandene Soll-Werte vom Applikationsserver jederzeit angepasst werden. Eine Übertragungsverzögerung von maximal 128s ist dabei tolerierbar.

Bei Busstationen können elektronische Anzeigetafeln für Abfahrtszeiten mit der Klasse C in ein LoRaWAN integriert werden. Die Anzeige kann jederzeit verzögerungsfrei aktualisiert werden und dadurch in Echtzeit anzeigen, wann der nächste Bus fährt.

Egal ob Ihre Anwendung möglichst batteriesparend oder mit möglichst kurzen Reaktionszeiten ins LoRaWAN eingebunden werden soll, wir sind der richtige Partner und unterstützen Sie gerne.