Kleine Datenmengen. Große Entfernungen. Sehr wenig Energie.
LoRa steht für Long Range und bezeichnet eine digitale Funktechnik, die speziell für die energieeffiziente Übertragung kleiner Datenmengen über große Entfernungen entwickelt wurde.
LoRa ist dabei kein Netzwerk und kein Internetprotokoll. LoRa beschreibt in erster Linie die physikalische Funkübertragung – also die Art und Weise, wie digitale Informationen über Funk übertragen werden.
Genau diese Kombination aus großer Reichweite und niedrigem Energieverbrauch macht LoRa besonders interessant für Sensoren und batteriebetriebene Geräte.
Wie funktioniert LoRa?
LoRa basiert auf einer speziellen Modulationstechnik namens Chirp Spread Spectrum (CSS).
Dabei wird ein digitales Signal nicht einfach auf einen einzelnen Träger aufmoduliert. Stattdessen verändert sich die Frequenz des Signals innerhalb eines definierten Frequenzbandes kontinuierlich.
Ein solcher Frequenzverlauf wird als Chirp bezeichnet.
Vereinfacht dargestellt:
Frequenz
↑
│ /
│ /
│ /
│ /
│ /
│ /
│ /
└──────────────────→ Zeit
Durch diese Spreizung des Signals kann LoRa auch sehr schwache Signale noch zuverlässig erkennen.
Das ist einer der entscheidenden Gründe für die große Reichweite.
Warum kann LoRa so weit funken?
Ein Funksignal wird mit zunehmender Entfernung immer schwächer. Bei herkömmlichen Funkverfahren führt dies relativ schnell zu Übertragungsfehlern.
LoRa verwendet dagegen eine sehr robuste Modulation und kann Signale noch unterhalb des normalen Rauschpegels erkennen.
Damit kann ein LoRa-Empfänger Signale verarbeiten, die für viele andere Funkverfahren bereits zu schwach wären.
Die erreichbare Reichweite hängt allerdings stark von den Umgebungsbedingungen ab.
Entscheidend sind unter anderem:
- Sendeleistung
- Frequenz
- Antenne
- Antennenhöhe
- Gebäude und Bebauung
- Gelände
- Vegetation
- Störungen
- Bandbreite
- Spreading Factor
Eine gute Antenne und ein günstiger Standort können deshalb wesentlich wichtiger sein als eine höhere Sendeleistung.
Reichweite ist nicht gleich Reichweite
Unter günstigen Bedingungen sind mit LoRa sehr große Entfernungen möglich.
In freiem Gelände können mehrere Kilometer erreicht werden. Bei direkter Sichtverbindung zwischen erhöhten Standorten sind auch deutlich größere Entfernungen möglich.
In dicht bebauten Gebieten oder innerhalb von Gebäuden kann die Reichweite dagegen erheblich geringer sein.
Für ThingsLogic ist deshalb nicht die theoretische Maximalreichweite entscheidend, sondern die zuverlässige Funkverbindung unter realen Bedingungen.
Der wichtigste Parameter: Spreading Factor
Ein besonderes Merkmal von LoRa ist der Spreading Factor (SF).
Typischerweise werden Werte von SF7 bis SF12 verwendet.
Der Spreading Factor beeinflusst maßgeblich:
- Reichweite
- Empfindlichkeit
- Übertragungsdauer
- Energieverbrauch
- verfügbare Datenrate
Vereinfacht gilt:
niedriger SF → schneller, höhere Datenrate, geringere Robustheit
hoher SF → langsamer, geringere Datenrate, höhere Reichweite
Datenrate
↑
│
SF7 │ █████████
SF8 │ ███████
SF9 │ █████
SF10 │ ████
SF11 │ ██
SF12 │ █
└────────────────→
Reichweite
Damit kann LoRa an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden.
Bandbreite
Auch die Bandbreite (Bandwidth, BW) beeinflusst die Eigenschaften der Funkübertragung.
Typische LoRa-Bandbreiten sind beispielsweise:
- 125 kHz
- 250 kHz
- 500 kHz
Eine größere Bandbreite ermöglicht grundsätzlich eine schnellere Übertragung.
Eine kleinere Bandbreite verbessert dagegen die Empfindlichkeit und damit die Möglichkeit, schwache Signale zu empfangen.
Coding Rate
LoRa verwendet zusätzlich eine Forward Error Correction (FEC).
Dabei werden zusätzliche Informationen übertragen, mit denen der Empfänger bestimmte Übertragungsfehler erkennen und korrigieren kann.
Die sogenannte Coding Rate beeinflusst damit die Robustheit der Übertragung.
Mehr Redundanz bedeutet:
höhere Robustheit → aber längere Übertragungszeit
Auch hier gibt es also einen klassischen technischen Kompromiss.
LoRa ist für kleine Datenmengen optimiert
LoRa ist keine Hochgeschwindigkeits-Funktechnik.
Die Technologie ist dafür ausgelegt, beispielsweise folgende Informationen zu übertragen:
- Temperatur
- Luftfeuchtigkeit
- Druck
- Wasserstand
- Energieverbrauch
- GPS-Position
- Alarmmeldungen
- Maschinenzustände
Ein typischer Sensor muss vielleicht nur alle fünf Minuten einige Bytes übertragen.
Dafür ist LoRa hervorragend geeignet.
Für
- Videos
- Audio
- Bilder
- große Dateien
- Streaming
ist LoRa dagegen nicht vorgesehen.
LoRa und Energieverbrauch
Eine der größten Stärken von LoRa ist der geringe Energiebedarf.
Ein Sensor kann die meiste Zeit vollständig abgeschaltet sein und nur für eine kurze Zeit aufwachen:
schlafen
↓
┌─────────────────┐
│ │
──────┘ └──────
↑
Sensor misst
↓
LoRa sendet
↓
Sleep
Da nur kleine Datenmengen übertragen werden und das Gerät die meiste Zeit schlafen kann, lassen sich sehr lange Batterielaufzeiten erreichen.
Wie lange eine Batterie tatsächlich hält, hängt allerdings stark von der Anwendung, dem Sendeintervall, dem Spreading Factor, der Sendeleistung und der Hardware ab.
LoRa arbeitet im freien Frequenzbereich
LoRa kann in verschiedenen Frequenzbereichen eingesetzt werden.
In Europa wird für viele LoRa-Anwendungen das 868-MHz-Band verwendet.
Das sogenannte ISM-Band ist lizenzfrei nutzbar – allerdings nicht regelfrei.
Es müssen beispielsweise die jeweils geltenden Vorgaben für:
- Frequenzbereich
- Sendeleistung
- Bandbreite
- Duty Cycle
- Kanalbelegung
eingehalten werden.
LoRa ist nur die Funkstrecke
Ein wichtiger Punkt:
LoRa alleine ist noch kein IoT-Netzwerk.
LoRa beschreibt die Funkübertragung zwischen zwei Funkgeräten.
Sensor ───── LoRa ───── Empfänger
Wie Geräte identifiziert werden, wie Nachrichten verwaltet werden, wie mehrere Gateways zusammenarbeiten oder wie Sensordaten in Anwendungen gelangen, wird durch darüberliegende Protokolle und Systeme geregelt.
Ein bekanntes Protokoll dafür ist LoRaWAN.
LoRa und LoRaWAN sind deshalb zwei unterschiedliche Dinge:
LoRa = Funktechnik
LoRaWAN = Netzwerkprotokoll auf Basis von LoRa
Warum LoRa für IoT interessant ist
Die Stärke von LoRa liegt nicht in einer einzelnen Eigenschaft, sondern in der Kombination:
Große Reichweite
Funkverbindungen über mehrere Kilometer sind möglich.
Hohe Empfindlichkeit
Auch sehr schwache Signale können noch empfangen werden.
Niedriger Energieverbrauch
Batteriebetriebene Sensoren können über lange Zeiträume betrieben werden.
Geringe Hardwarekosten
LoRa-Transceiver sind mittlerweile in zahlreichen kostengünstigen Mikrocontrollern und Funkmodulen verfügbar.
Flexible Parameter
Über Spreading Factor, Bandbreite, Coding Rate und Sendeleistung kann die Funkübertragung an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
LoRa ist eine Technologie für die Dinge, die nicht ständig funken müssen
Ein Temperatursensor muss keine 100 Mbit/s übertragen.
Ein Wasserzähler braucht kein WLAN.
Ein Waldsensor benötigt keine Videoverbindung.
Oft müssen lediglich wenige Bytes zuverlässig von einem entfernten Sensor zu einem Empfänger gelangen.
Genau für solche Anwendungen wurde LoRa entwickelt.
ThingsLogic nutzt diese Eigenschaften, um IoT-Anwendungen in der Praxis zu ermöglichen – von Umwelt- und Sensornetzen bis hin zu industriellen Anwendungen.
LoRa auf einen Blick
| Eigenschaft | LoRa |
|---|---|
| Bedeutung | Long Range |
| Technologie | Chirp Spread Spectrum |
| Typische Anwendung | IoT / Sensorik |
| Reichweite | mehrere Kilometer möglich |
| Datenrate | niedrig |
| Energieverbrauch | sehr niedrig |
| Frequenz | abhängig von Region, in Europa häufig 868 MHz |
| Netzwerk | nicht Bestandteil von LoRa |
| Protokoll | nicht Bestandteil von LoRa |
| Verschlüsselung | nicht durch LoRa selbst definiert |
Kurz gesagt:
LoRa macht es möglich, kleine Datenmengen über große Entfernungen mit sehr wenig Energie zu übertragen.
Darauf aufbauend können Netzwerkprotokolle wie LoRaWAN komplette IoT-Infrastrukturen realisieren.