Welche Technologie steckt hinter der LoRa-Frequenz?

LoRa verwendet die CSS-Modulation (Chirp Spread Spectrum), die ein Frequenzspreizverfahren als Modulationsverfahren nutzt. Dabei werden sogenannte Chirp-Impulse als Symbole gesendet, deren LoRa-Frequenz mit der Zeit kontinuierlich zunimmt oder abnimmt. Die Datenübertragung erfolgt dann durch die sequentielle Abfolge dieser Chirp-Impulse.

Besondere Eigenschaften

Da LoRa in den ISM-Frequenzbändern (433 MHz, 868 MHz und 915 MHz) arbeitet, ist die abgestrahlte Sendeleistung begrenzt. Um eine größere Funkreichweite als bei herkömmlichen Modulationsarten wie z.B. FSK (Frequency Shift Keying) zu erreichen, wurde bei LoRa die Empfängerempfindlichkeit deutlich verbessert. Der LoRa-Empfänger kann ein LoRa-Nutzsignal noch bis zu 20 dB unterhalb des Rauschpegels erfolgreich empfangen und dekodieren, was eine Empfängerempfindlichkeit von maximal -149 dBm ergibt. Im Vergleich zur maximalen FSK-Empfindlichkeit von ca. –125 dBm bis -130 dBm bietet LoRa eine deutliche Verbesserung. Mit dem FSK-Empfänger kann das Signal nur erfolgreich dekodiert werden, wenn das Nutzsignal ca.

Dank der Eigenschaft, dass LoRa bis zu 20 dB unterhalb des Rauschpegels noch ein Nutzsignal erfolgreich empfangen kann, ist die Robustheit gegenüber Funkstörungen deutlich besser als bei FSK. FSK-Systeme funktionieren nur dann korrekt, wenn das Störsignal mindestens 10 dB schwächer ist als das Nutzsignal. Im besten Fall können LoRa-Systeme das Nutzsignal noch empfangen, wenn das Störsignal 20 dB stärker ist als das Nutzsignal.

Einschränkungen

Aus der obigen Grafik lässt sich erkennen, dass LoRa etwa 30 dB schwächere Signale empfangen kann als mit FSK. Allerdings gibt es zwei Einschränkungen, die diesen großen Unterschied etwas relativieren.

• Erstens ist die LoRa-Modulation breitbandiger als die FSK-Modulation, was bedeutet, dass der Rauschpegel des LoRa-Empfängers im Allgemeinen höher ist als der des FSK-Empfängers. Insbesondere erhöht eine Verdoppelung der Bandbreite den Rauschpegel um 3 dB.
• Zweitens kann LoRa bei sehr langsamen Datenraten von ≤ 20 kbit/s nur ein Nutzsignal bis zu 0.5 dB unter dem Rauschpegel empfangen. Sobald die Datenrate erhöht wird, steigt entweder das negative Signal-Rausch-Verhältnis weiter gegen Null oder die Bandbreite muss weiter erhöht werden, was wiederum den Rauschpegel erhöht.

Vergleichsmessung zwischen LoRa und FSK

Um herauszufinden, wie gut LoRa wirklich ist, sollte ein direkter Vergleich zwischen LoRa und FSK durchgeführt werden. Dazu werden unsere bisher verwendeten Standard-FSK-Transceiver (CC1020 und CC1101) mit den Daten des LoRa/FSK-Transceivers SX1261 verglichen.

Laut den Angaben in den Datenblättern erreicht LoRa eine um mindestens 24 dB bessere maximale Empfindlichkeit als der beste FSK-Transceiver (SX1261). Im Vergleich zu den alten FSK-Transceivern (CC1020 und CC1101) ist die maximale Empfindlichkeit sogar um 31 bzw. 33 dB besser. Da davon ausgegangen werden kann, dass sich die Funkreichweite pro 10 dB mehr Empfindlichkeit verdoppelt, sollte mit LoRa im Vergleich zu FSK eine 4- bis 8-fache Funkreichweite möglich sein.

Es fällt jedoch auch auf, dass die maximale LoRa-Empfindlichkeit bei einer extrem langsamen Datenrate von nur 0.02 kbit/s erreicht wird. Um einen direkten, aussagekräftigen Vergleich zwischen den verschiedenen Transceivern zu erhalten, wird die Empfindlichkeit aller Transceiver bei gleicher Datenrate ermittelt. Laut Hersteller Semtech müsste LoRa bei gleicher Datenrate etwa 7 bis 10 dB mehr Empfindlichkeit erreichen als FSK.

Unsere eigenen Messungen haben folgende Ergebnisse ergeben:

Der SX1261-Transceiver erreicht mit LoRa-Modulation 4 – 6 dB mehr Empfindlichkeit als mit FSK-Modulation. Im Vergleich zum CC1020 werden 8 – 11 dB und im Vergleich zum CC1101 13 – 17 dB mehr Empfindlichkeit erreicht. Auffällig ist, dass mit LoRa ein umso größerer Empfindlichkeitsgewinn erzielt werden kann, je niedriger die Datenrate gewählt wird.

Eine weitere Betrachtung zeigt das Energiesparpotenzial von LoRa. Um die gleiche Empfindlichkeit wie bei FSK zu erreichen, kann bei LoRa etwa die 4-fache Datenrate genutzt werden. Das gleiche Funktelegramm wird dadurch 4-mal kürzer und der Energieverbrauch sinkt ebenfalls um den Faktor 4.

Fazit:

Wie bei allen Funktransceivern wird die maximale LoRa-Empfindlichkeit von -149 dBm nur bei der niedrigsten Datenrate erreicht. Diese Datenrate beträgt bei LoRa nur ca. 0.02 kbit/s und ist daher für viele Anwendungen unbrauchbar. Können jedoch derart niedrige Datenraten genutzt werden, ist theoretisch eine 4-fache Funkreichweite im Vergleich zu modernen FSK-Transceivern möglich.

Erhöht man die LoRa-Datenrate auf 1.2 kBit/s bis 10 kBit/s, erreicht LoRa im Vergleich zu modernen FSK-Transceivern ca. 4-6 dB mehr Empfindlichkeit. Im Vergleich zu älteren FSK-Transceivern wie dem CC1101 oder CC1020 lässt sich die Funkreichweite mit LoRa sogar verdoppeln oder verdreifachen.

Eine interessante Energiesparmöglichkeit ergibt sich in Anwendungen, bei denen die bisherige FSK-Empfindlichkeit ausreichend war. Soll mit LoRa die gleiche Empfindlichkeit erreicht werden, lässt sich die Datenrate im Vergleich zu FSK um den Faktor 4 erhöhen, wodurch sich auch der Energieverbrauch um den Faktor 4 reduzieren lässt.

Für uns stellt die LoRa-Technologie eine interessante Alternative für Anwendungen mit Datenraten bis zu 10 kbit/s dar, da die Funkreichweite im Vergleich zu den älteren Transceivern massiv erhöht werden kann. Besonders interessant ist für uns die Möglichkeit der Anbindung an das LoRaWAN-Netzwerk, da IoT-Anwendungen dadurch praktisch überall mit dem Internet verbunden werden können.

Mit unserem LoRa-Modul „TRX433-70“ sind wir bereit für zukünftige innovative LoRa-Projekte.

Funkübertragung mit LoRa

Die Zählerstände, Schaltbefehle und weitere Informationen können auf verschiedenen Wegen vom Konzentratormodul zum Router und zurück übertragen werden. Ist die kabelgebundene Übertragung nicht möglich oder zu teuer, kann die Funkübertragung mit LoRa eine Alternative zur Fernauslesung sein.

Der Funkstandard LoRa

LoRa steht für Long Range, also hohe (Funk-)Reichweite und ist ein alternativer Funkstandard zu den bekannten Technologien wie UMTS oder LTE. In vielen Ländern hat sich LoRa bereits als Grundlage für einen Kommunikationsstandard im sogenannten Internet der Dinge (IoT), für die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) sowie für Industrie- und Smart-City-Anwendungen etabliert.

Der LoRa-Funkstandard nutzt wie andere Funktechnologien die freien LoRa-Frequenzbänder aus den lizenzfreien ISM-Bändern (Industrial, Scientific und Medical). In Europa sind dies die Bänder im Bereich von 433 und 868 MHz. Durch ein spezielles Funkverfahren, die sogenannte Frequenzspreizung, ist die Technologie nahezu unempfindlich gegen Störungen. Die Reichweite zwischen Sender und Empfänger beträgt je nach Umgebung und Bebauung zwischen 2 und 15 km. Durch die hohe Empfindlichkeit von -137 dBm kann eine hohe Gebäudedurchdringung erreicht werden. Die Funksignale dringen tief ins Innere von Gebäuden und Kellern vor. Gerade auf Campingplätzen, wo die metallischen Abdeckungen der Wohnwagen und Wohnmobile oft die Signalstärke von WLAN schwächen, ist die Funkübertragung mit LoRa hier überlegen. Die Datenrate bei LoRa liegt zwischen 0.3 und 50 kbit/s.

Anwendungen für LoRa

LoRa kommt vor allem in Anwendungen zum Einsatz, bei denen sehr wenige Daten energiesparend über eine große Distanz übertragen werden sollen. Bei diesen Daten handelt es sich meist um Messwerte, Statussignale oder manipulierte Werte.

Unterschiede zwischen WLAN, LoRa und Mobilfunk

WLAN und Mobilfunk sind für die Übertragung großer Datenmengen ausgelegt. Dabei werden relativ geringe Reichweiten akzeptiert. LoRa hingegen ist für die Übertragung kleiner Datenmengen über große Distanzen optimiert. Die folgende Tabelle zeigt einige Unterschiede zwischen den verschiedenen Funkstandards.

LoRaWAN (Weitverkehrsnetz mit großer Reichweite)

Low Power WANs (LPWANs) sind Netzwerkkonzepte für das Internet der Dinge (IoT) und die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M). LPWANs zeichnen sich dadurch aus, dass sie Distanzen von bis zu 50 km überbrücken können und dabei sehr wenig Energie benötigen. Es gibt verschiedene technische Ansätze zur Realisierung der LPWANs. Einer von ETSI: ETSI GS LTN, weitere Bezeichnungen sind LoRaWAN, Weightless und RPMA, was für Random Phase Multiple Access steht.

Damit die überbrückbare Distanz durch die Freiraumdämpfung nicht zu stark beeinträchtigt wird, nutzen einige der genannten LPWAN-Konzepte Frequenzen in den ISM-Bändern bei 433 MHz und 868 MHz. Einige wenige arbeiten auch im ISM-Band bei 2.4 GHz.

SigFox beispielsweise nutzt als LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) das ISM-Band bei 868 MHz (USA 915 MHz) in Europa. Die überbrückbare Reichweite beträgt über 5 km im Stadtgebiet und über 15 km außerhalb der Stadt. Darüber hinaus gibt es Funktransceiver im LoRa-Frequenzbereich von 2.4 GHz, mit denen eine Reichweite von 10 km überbrückt werden kann. Die LoRa-Übertragung ist eine Kombination aus Chirp Spread Spectrum (CSS) und Software Defined Radio (SDR). Ein wesentlicher Vorteil ist, dass Signale, die bis zu 20 dB unter dem Rauschpegel liegen, noch erkannt werden können. Das LoRaWAN-Konzept unterstützt bidirektionale Kommunikation, Mobilität und standortbasierte Dienste.

Die Endgeräte sind mit einer Basisstation verbunden, die wiederum die Informationen verschlüsselt von einem Backbone über TCP/IP und das SSL-Protokoll empfängt.
Um eine möglichst lange Batterielebensdauer der Endkomponenten zu gewährleisten, werden alle Datenraten und HF-Ausgangssignale vom LoRaWAN-Netzwerk verwaltet und die Endkomponenten über eine adaptive Datenrate (ADR) gesteuert. Es gibt drei Endgeräteklassen: Geräte der Klasse A können bidirektional kommunizieren und verfügen über ein geplantes Übertragungsfenster im Uplink, Geräte der Klasse B haben ebenfalls ein geplantes Übertragungsfenster im Downlink und das Übertragungsfenster für Geräte der Klasse C ist durchgehend geöffnet. Die LoRaWAN-Technologie ist von der LoRa Alliance standardisiert.

LoRaWan – Framework für drahtlose Netzwerke

LoRaWan ist eine Spezifikation und beschreibt einen Rahmen für drahtlose Netzwerke. Es wird in Netzwerken mit geringem Datenverkehr eingesetzt, beispielsweise in Sensornetzwerken. LoRaWan (LongRangeWideAreaNetwork) ist ein sogenanntes LPWAN-Protokoll (Low Power Wide Area Network). Dieser Artikel zeigt die von LoRaWan genutzten Frequenzen und die verfügbaren Endgeräteklassen.

Die LoRa-Frequenz variiert in verschiedenen Regionen der Welt. Daher ist es notwendig, sich vor der Inbetriebnahme eines LoRa-Geräts zu informieren, um die richtige Frequenz einzustellen. Die folgende Tabelle zeigt die korrekten Frequenzen für jedes Land bzw. jeden Kontinent:

LoRaWan wird ebenfalls wie eine Sterntopologie behandelt. Gateways leiten Nachrichten von den Endgeräten an einen spezifischen Zugangsserver weiter. Die Gateways sind über Standard-Internetverbindungen mit dem Standardserver verbunden.

Bidirektionale Geräte
Es gibt drei bidirektionale Hauptklassen, die von End verarbeitet werden:

Klasse A

Die Uplink-Daten stammen immer vom Endgerät. Auf die Uplink-Nachricht folgen zwei kurze Empfangsfenster für Downlink-Nachrichten. Diese Downlink-Nachrichten können auch für Bestätigungsnachrichten sowie für Geräteparameter enthalten sein. Da die Kommunikation zwischen Endgerät und Gateway immer nur vom Endgerät aus erfolgt, kann es zwischen der detaillierten Übermittlung der neuen Geräteparameter und der Implementierung im Endgerät zu Wartezeiten kommen.

Zwischen den eigentlichen Sendezeitpunkten können Geräte der Klasse A ihr LoRa-Modul komplett in einen Energiesparmodus versetzen. Dies verändert die Energieeffizienz.

Class B

Klasse B, andere als Klasse A, werden zu weiteren Empfangsfenstern. Klasse-B-Geräte werden über zyklisch gesendete Beacons synchronisiert. Diese Beacons dienen der Kommunikation, und andere Empfangsfenster sind zu anderen Zeiten geöffnet. Der Verlust liegt darin, dass die Latenz im Voraus bestimmt werden kann, der Verlust des Energieverbrauchs als Bauteilzahl. Der Energieverbrauch bleibt jedoch für batteriebetriebene Anwendungen gering genug.

Klasse C

Klasse C reduziert die Latenz im Downlink deutlich, da das Empfangsfenster des Endgeräts stets mitgehört wird, solange das Gerät selbst keine Nachrichten sendet. Aus diesem Grund kann der vertrauenswürdige Server eine Downlink-Übertragung starten. Ein Zeitwechsel zwischen Klasse A und C ist insbesondere bei batteriebetriebenen Rechtsverträgen wichtig, beispielsweise bei „Firmware-Over-the-Air“-Updates.