LoRaWAN Gateway mit dem Raspberry Pi betreiben

Ein LoRaWAN Gateway mit dem Raspberry Pi zu betreiben, ist eine der praxisnächsten Möglichkeiten, in die Welt der Low-Power-IoT-Netze einzusteigen – und zugleich ein Setup, das auch in professionellen Projekten sinnvoll sein kann. Der Raspberry Pi eignet sich als stabile Linux-Plattform, um die Gateway-Software (Packet Forwarder oder LoRa Basics™ Station) zuverlässig auszuführen, Updates sauber zu verwalten und die Anbindung an einen LoRaWAN Network Server (öffentlich oder privat) herzustellen. Wichtig ist dabei: Ein „echtes“ LoRaWAN-Gateway ist nicht einfach nur ein LoRa-Funkmodul. Es benötigt in der Regel einen Concentrator (z. B. SX1302/SX1303), der mehrere Kanäle parallel empfangen kann und das LoRaWAN-typische Multi-Channel-Handling ermöglicht. In Deutschland arbeitet LoRaWAN typischerweise im EU863–870-/EU868-Band, das regulatorische Vorgaben wie Sendezeitbegrenzungen (Duty Cycle) und EIRP-Grenzen kennt. Dieser Artikel zeigt Ihnen strukturiert, welche Hardware Sie für ein Raspberry-Pi-basiertes Gateway brauchen, welche Software-Optionen es gibt, wie Sie Ihr Gateway an The Things Stack / The Things Network oder an eine eigene ChirpStack-Installation anbinden – und welche Stolpersteine (Frequenzplan, Antenne, Firewall, Sicherheit) Sie vermeiden sollten.

Grundlagen: Was ein LoRaWAN-Gateway tatsächlich macht

Ein LoRaWAN-Gateway ist die Brücke zwischen den batteriebetriebenen Endgeräten (Sensoren, Tracker, Zähler) und dem LoRaWAN-Netzserver. Es empfängt Funkpakete über LoRa und leitet sie über IP (Ethernet/WLAN/LTE) an einen Netzwerkserver weiter. In einem typischen Setup können mehrere Gateways denselben Sensor empfangen; der Netzwerkserver übernimmt dann das Duplikat-Handling und das Routing. Genau dieses Prinzip wird in der Gateway-Einführung von The Things Network beschrieben: Gateways empfangen Nachrichten und leiten sie an das Backend weiter, während das Backend die Netzlogik übernimmt.

• Uplink: Sensor → Gateway → Network Server
• Downlink: Network Server → Gateway → Sensor (zeitkritisch, z. B. für Bestätigungen und Steuerbefehle)
• Gateway-Rolle: „Weiterleiter“ mit Funk-Frontend, ohne Kenntnis des Applikationsinhalts

Hardware: Raspberry Pi plus LoRaWAN-Concentrator (HAT/Modul)

Für ein vollwertiges LoRaWAN-Gateway benötigen Sie neben dem Raspberry Pi einen Concentrator, der mehrere LoRa-Kanäle gleichzeitig verarbeiten kann. Typische Varianten sind HATs oder Erweiterungsplatinen auf Basis von SX1302/SX1303. Sie werden meist per SPI angebunden und nutzen definierte Reset-/GPIO-Pins. Für den Betrieb ist außerdem eine passende Antenne mit korrekter Frequenz (EU868) entscheidend – ein falsches Antennenband oder eine schlechte Montage reduziert Reichweite und Stabilität drastisch.

• Raspberry Pi Modell: Pi 4 oder Pi 5 für 24/7-Betrieb (Ethernet empfohlen); Pi Zero kann funktionieren, ist aber bei Netzwerk/USB/Performance schneller am Limit
• Concentrator: SX1302/SX1303-basierte HATs (Multi-Channel), alternativ ältere SX1301-Lösungen (heute eher Bestandsgeräte)
• Antenne: EU868-tauglich, idealerweise extern montiert, mit hochwertigem Koax und passenden Steckern (SMA/RP-SMA je nach HAT)
• Gehäuse: je nach Einsatz: Desktop, Outdoor (IP), oder DIN-Schiene im Schaltschrank
• Stromversorgung: stabil und sauber dimensioniert, besonders bei Pi 5 und Peripherie

Warum ein Concentrator wichtig ist

Viele günstige „LoRa-Module“ sind Single-Channel-Transceiver. Damit lassen sich einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bauen, aber kein robustes LoRaWAN-Gateway nach gängigen Erwartungen. Ein Concentrator ist auf parallelen Empfang und die typischen LoRaWAN-Kanalpläne ausgelegt. Für echte LoRaWAN-Netze – insbesondere bei mehreren Endgeräten – ist das entscheidend.

Frequenzplan und Regulierung in Deutschland: EU868 richtig einordnen

In Deutschland ist LoRaWAN typischerweise im EU863–870-/EU868-Band unterwegs. Hier gelten regulatorische Rahmenbedingungen wie maximale Sendeleistung (EIRP) und Duty-Cycle-Beschränkungen, die nicht nur Endgeräte, sondern indirekt auch die Downlink-Fähigkeit beeinflussen. Eine praxisnahe Übersicht zum EU868-Band inklusive Duty-Cycle-Hinweisen findet sich in den regionalen Parametern von The Things Network, die auch die 1%-Empfehlung und typische Grenzwerte erläutern. Für formale, regionsübergreifende Referenzen sind die LoRaWAN Regional Parameters der LoRa Alliance die maßgebliche Grundlage.

• EU868 bedeutet: definierte Kanalpläne, Datenraten und regulatorische Limits
• Downlink-Limitierungen: Gateways können durch Duty Cycle in ihrer Downlink-Kapazität eingeschränkt sein
• Praxisfolgen: Bestätigte Nachrichten (confirmed uplink) und häufige Downlinks sollten bewusst geplant werden

Software-Architektur: Packet Forwarder vs. LoRa Basics™ Station

Auf dem Raspberry Pi läuft die Gateway-Software, die Funkpakete an den Netzwerkserver weiterleitet. Historisch verbreitet ist der Semtech UDP Packet Forwarder. Er ist weit unterstützt, gilt aber als technisch und sicherheitlich weniger ideal. The Things Stack weist explizit auf Sicherheits- und Skalierungsnachteile des Semtech UDP Packet Forwarders hin und empfiehlt LoRa Basics™ Station als modernere Alternative, wenn möglich. In der Praxis hängt die Wahl von Ihrer Hardware (HAT/Hersteller), Ihrem Netzwerkserver und Ihren Anforderungen ab.

• Semtech UDP Packet Forwarder: „klassisch“, häufig vorinstalliert, aber mit bekannten Einschränkungen
• LoRa Basics™ Station: moderner, sicherer Ansatz (z. B. TLS), oft bevorzugt in professionellen Setups
• ChirpStack Gateway Bridge: kann Packet-Forwarder-Protokolle in ein einheitliches Format übersetzen und ins ChirpStack-Ökosystem integrieren

Wann UDP trotzdem sinnvoll sein kann

Wenn Ihr Concentrator-Hersteller einen stabilen UDP-basierten Forwarder liefert oder wenn Sie ein schnelles Laborsetup aufbauen möchten, ist UDP ein praktikabler Einstieg. Für produktive Installationen sollten Sie jedoch früh prüfen, ob Basics Station unterstützt wird oder ob Sie mit zusätzlichen Maßnahmen (Firewall, Segmentierung, TLS-Tunnel) das Risiko reduzieren.

Vorbereitung auf dem Raspberry Pi: Betriebssystem, Netzwerk und Zeit

Ein Gateway steht und fällt mit der Zuverlässigkeit der IP-Anbindung. Nutzen Sie nach Möglichkeit kabelgebundenes Ethernet, setzen Sie eine feste IP (oder DHCP-Reservierung) und achten Sie auf saubere DNS-Auflösung. Ebenso wichtig: korrekte Systemzeit. Viele Komponenten (TLS, Logs, Fehlersuche) werden unnötig kompliziert, wenn NTP nicht sauber läuft.

• Raspberry Pi OS: schlank installieren, automatische Sicherheitsupdates bewusst planen
• Netzwerk: Ethernet bevorzugen, WLAN nur bei guter Abdeckung und stabiler Umgebung
• Zeitsynchronisation: NTP aktiv, Router/Firewall darf NTP nicht blockieren
• Firewall: nur notwendige ausgehende Verbindungen erlauben, unnötige Dienste deaktivieren

Gateway an The Things Stack / The Things Network anbinden

Viele Anwender starten mit The Things Network (Community) bzw. The Things Stack (TTS). Die Gateway-Dokumentation beschreibt grundsätzlich, wie Gateways als Brücke fungieren und wie sie im Ökosystem registriert werden. In der Praxis ist die wichtigste Voraussetzung, dass Ihr Gateway eindeutig identifizierbar ist (Gateway EUI/ID) und korrekt auf den Server-Endpunkt zeigt. Viele Gateway-Anleitungen setzen dabei entweder auf Semtech UDP oder auf Basics Station – je nach Modell. The Things Stack stellt außerdem eine strukturierte Hardware-Sektion bereit, die die üblichen Anbindungswege und Konzepte beschreibt.

• Gateway registrieren: Gateway-ID/EUI festlegen, Frequenzplan EU868 auswählen
• Server-Endpunkt: Region/Cluster korrekt wählen (je nach Plattform/Deployment)
• Forwarder konfigurieren: Server-Adresse und Ports im Forwarder-Config-File setzen
• Status prüfen: Gateway muss in der Konsole „connected“/„online“ erscheinen

Private LoRaWAN-Infrastruktur: ChirpStack mit Raspberry-Pi-Gateway

Wenn Sie unabhängig von öffentlichen Community-Netzen arbeiten möchten, ist eine private LoRaWAN-Infrastruktur eine häufige Option – etwa in Unternehmen, in Gebäuden oder auf dem eigenen Gelände. ChirpStack ist ein etabliertes Open-Source-Ökosystem für LoRaWAN. Eine zentrale Rolle spielt dabei die ChirpStack Gateway Bridge: Sie wandelt verschiedene Packet-Forwarder-Protokolle in ein gemeinsames Format und erleichtert die Integration mit dem Network Server. In der offiziellen Dokumentation wird beschrieben, dass die Gateway Bridge verschiedene Backends bereitstellt und Protokolle in ein einheitliches Format übersetzt.

• Gateway Bridge: nimmt Daten vom Forwarder an (z. B. Semtech UDP oder Basics Station) und leitet sie weiter
• Network Server: verwaltet Geräte, OTAA/ABP, Session Keys, Routing
• Application Integration: Übergabe an MQTT/HTTP/Integrationen, je nach Architektur

Semtech UDP im ChirpStack-Umfeld korrekt konfigurieren

Wenn Sie Semtech UDP einsetzen, müssen die Parameter im Forwarder-Konfigurationsfile stimmen: Server-Adresse und Up-/Down-Port müssen auf die Instanz zeigen, die das Protokoll verarbeitet. Die ChirpStack-Dokumentation zum Semtech-UDP-Backend weist darauf hin, dass in global_conf.json oder local_conf.json unter gateway_conf die Server-Adresse sowie serv_port_up und serv_port_down korrekt gesetzt sein müssen. Das ist ein häufiger Fehlerpunkt bei „Gateway sendet, aber kommt nichts an“.

Konfiguration in der Praxis: Die typischen Schritte im Überblick

Je nach HAT/Hersteller unterscheiden sich Dateinamen, Pfade und Services. Das Vorgehen ist aber meist ähnlich. Der Ablauf unten ist bewusst generisch gehalten, damit er zu den meisten Konzentrator-HATs passt.

• Concentrator-Treiber/HAL installieren: herstellerspezifische Pakete oder Semtech-HAL nutzen
• Reset-/GPIO-Skripte prüfen: manche Setups benötigen vor dem Start einen Reset des Concentrators (bei Semtech-Forwarder-Stacks üblich)
• Frequenzplan wählen: EU868, passend zu Ihrer Region und Ihrem Network Server
• Gateway-ID/EUI setzen: eindeutig, dokumentiert, konsistent mit Konsole/Server
• Forwarder/Basics Station konfigurieren: Server-URL/Adresse, Ports, TLS-Settings (wenn vorhanden)
• Service einrichten: systemd-Service für Autostart, Restart-Policy, Log-Ausgabe
• Live-Test: Gateway-Status in Konsole prüfen, Uplink eines Testgeräts beobachten

Antenne, Standort und Reichweite: Der oft unterschätzte Erfolgsfaktor

Viele Probleme werden fälschlich der Software zugeschrieben, obwohl die Funkseite der Engpass ist. Eine innen liegende Antenne hinter Metall, ein ungünstiges Koax oder ein falsches Antennenband kann die Reichweite dramatisch reduzieren. Für ein zuverlässiges Gateway sind Montagehöhe, freie Sicht, Abstand zu Störquellen und ein korrektes Antennensetup entscheidend.

• Antenne außerhalb von Metall: Schaltschranktüren und Metallgehäuse dämpfen stark
• Koaxialkabel: kurz halten, qualitativ gut, passende Stecker, geringe Dämpfung
• Störquellen meiden: Schaltnetzteile, Motorsteuerungen, Frequenzumrichter – Abstand hilft
• Wetterfestigkeit: bei Außenmontage IP-Schutz und UV-beständige Komponenten

Sicherheit: Gateway absichern, ohne die Funktion zu gefährden

Ein LoRaWAN-Gateway ist ein Netzwerkgerät, das in vielen Fällen dauerhaft erreichbar sein muss – allerdings meist nur ausgehend (Outbound). Ein typisches Best-Practice-Muster ist: keine unnötigen offenen Ports nach außen, klare Netzwerksegmentierung (IoT/VLAN) und regelmäßige Updates. Wenn Sie Semtech UDP nutzen, berücksichtigen Sie, dass dieser Ansatz laut The Things Stack bekannte Sicherheits- und Skalierungsnachteile hat. Wo möglich, ist Basics Station oder ein sicherer Tunnelansatz vorzuziehen.

• SSH absichern: Schlüssel statt Passwort, Root-Login aus, Fail2Ban optional
• Firewall: nur notwendige ausgehende Ports/Hosts erlauben, eingehend restriktiv
• Netzsegmentierung: Gateway in eigenes VLAN/Netz, Zugriff nur von Admin-Hosts
• Updates: Sicherheitsupdates planen, Gateway-Software versioniert dokumentieren

Fehlersuche: Wenn das Gateway „online“ ist, aber keine Daten ankommen

Typische Fehlerbilder lassen sich meist mit wenigen Checks eingrenzen. Wichtig ist, konsequent zwischen Funkseite (Concentrator, Antenne, Frequenzplan) und IP-/Serverseite (Forwarder-Konfiguration, DNS, Ports) zu unterscheiden.

• Frequenzplan falsch: EU868 vs. andere Region – führt zu „Empfang wirkt leer“
• Gateway EUI/ID stimmt nicht: Konsole zeigt anderes Gerät als Ihr Forwarder
• Ports blockiert: Firewall/Router verhindert ausgehende Verbindungen
• UDP-Parameter falsch: Server-Adresse oder Up-/Down-Ports in der Konfiguration nicht korrekt gesetzt (ChirpStack-Hinweis)
• Antenne ungeeignet: falsches Band, schlechter Stecker, Montage im Metallgehäuse
• Stromversorgung instabil: führt zu sporadischen Ausfällen und „Geisterproblemen“

Empfehlungen für stabile 24/7-Setups

Wenn Ihr Gateway dauerhaft laufen soll, lohnt sich ein professioneller Betriebsrahmen. Ein Raspberry Pi kann sehr stabil sein, wenn Storage, Strom und Softwarebetrieb sauber gelöst sind. Für produktive Installationen ist außerdem eine saubere Protokollierung wichtig, um Störungen nachvollziehbar zu machen.

• Ethernet statt WLAN: weniger Latenz, weniger Ausfälle
• SSD statt microSD: bessere Haltbarkeit bei 24/7 und vielen Logs
• systemd-Service: Autostart, Restart on failure, Log-Rotation
• Monitoring: CPU-Temperatur, Load, Speicherauslastung, Netzwerkstatus
• Dokumentation: Frequenzplan, Gateway-ID, Firmware-Versionen, Standort, Antennentyp

Weiterführende Ressourcen (Outbound-Links)

• Gateways in The Things Network: Grundlagen und Einbindung
• Gateways in The Things Stack: Konzepte und unterstützte Anbindungswege
• Semtech UDP Packet Forwarder: Hinweise zu Einschränkungen und Alternativen
• Semtech Packet Forwarder (Referenz-Implementierung auf GitHub)
• ChirpStack Gateway Bridge: Architektur und Grundlagen
• ChirpStack: Semtech-UDP-Backend korrekt konfigurieren
• EU868 Frequenzplan und Duty-Cycle-Orientierung (TTN Regional Parameters)
• LoRa Alliance: LoRaWAN Regional Parameters (offizielle Referenz)

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