LoRa

Mit der LoRa-Funktechnik können Sensoren über große Distanzen von 200 m bis 20 km im kostenlosen 868-MHz-Band kommunizieren. Die LoRa-Technologie zeichnet sich durch sehr geringen Energiebedarf und große Reichweite aus und ist für kleine Datenraten geeignet. Es gibt verschiedene LoRa-Lösungen, welche in der Regel einen LoRa-Chip der Firma Semtech nutzen.

LoRa-Grundlagen

LoRa-verwendet eine spezielle Frequenzspreizung-Modulation (englisch spread spectrum). Grundsätzlich kann diese Modulation auf allen Frequenzen verwendet werden, gängig sind die kostenlosen Frequenzbereiche 433 MHz sowie 868 MHz in Europa. Oft wird 868 MHz verwendet, da dieses Band weniger belegt und besser reguliert ist und somit eine bessere Funkbasis bietet.

Es gibt bereits ein standardisiertes LoRaWAN-Protokoll, das einen speziellen Konzentrator voraussetzt und die Daten an einen Internetserver weiterleitet. Der Konzentrator, welcher mehrere Kanäle gleichzeitig empfangen kann, bietet bei sehr großen Installationen Vorteile, allerdings unterstützt das LoRaWAN-Protokoll keine direkte Knoten-zu-Knoten-Kommunikation und ist für viele Anwendungen zu teuer und kompliziert.

Wir haben eine neue LoRa-Funkprotokollsoftware („RadioShuttle“) entwickelt, die sehr effizient schnell und sicher Nachrichten zwischen einfachen LoRa-Modulen verschicken kann. Diese Software ist gleichermaßen als Knoten (Node), oder als Station (Server) einsetzbar und unterstützt verschiedene LoRa-Chips (RFM95_SX1276, MURATA_SX1276, SX1276MB1MAS, SX1276MB1LAS).

LoRa-Module

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Module, die über ein integriertes LoRa-Funkmodem verfügen. Allerdings werden die allermeisten Module ohne Software vertrieben und sind daher für Anwender und Entwickler nutzlos.

Allgemeines zur LoRa-Reichweite

Es gibt viele Faktoren, welche die Reichweite beeinflussen: Antenne, Wände, Stahlbetondecken, Funk-Reflexionen, andere Sender auf identischen Frequenzen und Vieles mehr. Daher sprechen wir von 200 m bis 20 km Reichweite, welche im Vergleich zu anderen Funktechniken mit LoRa auf jeden Fall um ein Vielfaches besser ist.

868-MHz-Standardmodulationen (ohne LoRa), welche die in Deutschland erlaubten 14 dBm Sendeleistung verwenden, kommen im Freien ca. 50 Meter weit und in Gebäuden gerade mal durch eine Wand. Praktisch gibt es mit der 868-MHz-Standardmodulation schon innerhalb einer Wohnung Empfangsprobleme.

Mit der 868-MHz-LoRa-Modulation – ebenfalls 14 dBm Sendeleistung – haben wir Tests durchgeführt, in denen der Empfang sogar über 9 Stockwerke in einem großen Gebäudekomplex funktionierte. Auch bei weiteren Tests in einem großen Konferenzraum mit 5.000 Smartphones und vielen weiteren Funk-Übertragungstechniken lief die LoRa-Funktechnik einwandfrei. Ein wesentlicher Vorteil von LoRa ist dabei, dass die LoRa-Modulation auch auf standardbelegten 868 MHz Funkkanälen überlagernd funktioniert.

Allgemeines zur LoRa-Modulation

LoRa-Spreadingfaktor

Der Spreadingfaktor bestimmt, wie viele Symbole zur Kodierung von Nutzdaten verwendet werden. Dies ist für die LoRa-Modulation von SF6 bis SF12 spezifiziert. Zum Beispiel werden bei SF7 128 Symbole verwendet, bei SF11 sind es sogar 2048 Symbole für die Kodierung der identischen Nutzdaten. SF7 ist der Standard-Spreadingfaktor, der zur Datenübertragung von 64 Bytes eine Laufzeit von ca. 120 Millisekunden hat. Bei SF11 beträgt die Laufzeit sogar deutlich über eine Sekunde. Somit ergibt sich Folgendes:

Kleiner Speadingfaktor (z. B. SF7):

  • Kurze Übertragungsdauer
  • 10 Transaktionen pro Sekunde möglich
  • Weniger Stromverbrauch
  • Geringere Reichweite
  • Mehr Teilnehmer im Netzwerk möglich
  • Kleine Funkzelle

Großer Speadingfaktor (z. B. SF11):

  • Lange Übertragungsdauer
  • Nur eine Transaktionen pro Sekunde möglich
  • Wesentlich mehr Stromverbrauch (10x)
  • Größere Reichweite
  • Weniger Teilnehmer im Netzwerk möglich
  • Große Funkzelle

Als Ergebnis kann gesagt werden, dass der Standard-SF7-Spreadingfaktor viele Vorteile bietet, da einfach mehr Teilnehmer in einer kleinen Funkzelle arbeiten und somit fremde Funkzellen nicht gestört werden.

LoRa-Frequenzbandbreite

Die Bandbreite für die LoRa-Modulation lässt sich einstellen, definiert sind unter anderem 31,25 kHz, 41,7 kHz, 62,5 kHz, 125 kHz, 250 kHz und 500 kHz. Eine kleinere Bandbreite benötigt deutlich mehr Zeit für eine Nachrichtenübertragung. Bandbreiten unter 125 kHz funktionieren nur mit spezieller LoRa-Hardware, die unter anderem einen TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) verwendet und spezielle Hardwareunterstützung dafür hat. Stabil mit allen LoRa-Chipsätzen funktioniert es ab 125 kHz. Ausschließlich die 125 kHz Bandbreite ist für das LoRaWAN-Protokoll definiert. Das RadioShuttle-Protokoll unterstützt alle Bandbreiten, empfohlen wird aber auch 125 kHz.

Wichtig ist die Bandbreite auch bei der Kanalwahl: wird beispielsweise der Kanal 868,1 MHz mit einer Bandbreite von 125 kHz verwendet, muss der nächste freie Kanal weiter als die Bandbreite entfernt sein. Dies bedeutet, dass 868,2 MHz nicht funktionieren, 868,3 MHz wäre der nächste freie Kanal.

Reichweite mit unterscheidlichen Spreadingfaktoren

Anbei eine kleine Übersicht getesteter Reichweiten mit der Standard-Bandbreite von 125 kHz und unterschiedlichen Spreadinfaktoren. Grundsätzlich sind auch deutlich größere Reichweiten möglich. So kann z. B. SF7 bei freier Sicht und ohne Störungen auch mehrere Kilometer erreichen, SF11 auch mal über 20 km. Da im Regelfall aber Gebäude und weitere Störungen keine perfekte Übertragung bieten, anbei eine Übersicht von getesteten Reichweiten im bewohnten Gebieten.

Spreadingfaktor Übertragungsdauer 64 bytes
(bei Bandbreite 125 kHz)
Reichweite getestet
SF7 120 ms 100-500 m
SF8 220 ms
SF9 390 ms > 1 km
SF10 700 ms
SF11 1320 ms > 2 km
SF12 2470 ms