LoRa / LoRaWAN - Long Range Wide Area Network

LoRa bzw. LoRaWAN ist ein offener Funkstandard für ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) und ergänzt das klassische Mobilfunknetz um ein IoT- oder M2M-Netzwerk mit bidirektionaler Kommunikation. Hier geht es darum, die Erreichbarkeit der "smarten Dinge" zu verbessern.

Um eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch zu erreichen, nutzt LoRaWAN eine Frequenzspreizung. Dadurch können Interferenzen weitestgehend vermieden und schmalbandige Störungen umgangen werden.

Eigenschaften

  • Architektur: Die Endgeräte kommunizieren mit Gateways, welche die Datenpakete an einen Server übermitteln. Der Server verfügt über Schnittstellen für die Anbindung an IoT-Plattformen und -Applikationen.
  • Frequenzbereiche: In Europa um 868 MHz und in den USA um 915 MHz.
  • Reichweite: Je nach Topografie bis zu 15 Kilometer. Dabei wird eine gute Durchdringung von Gebäuden erreicht.
  • Energieverbrauch: Zwischen 10 mA und 100 nA im Ruhemodus. Je nach Anwendungsfall beträgt die Batterielebensdauer 2 bis 15 Jahre.
  • Übertragungsrate: Zwischen 0,3 und 50 kBit/s bei maximal 25 mW Sendeleistung.

Architektur

Die LoRa-Architektur besteht aus vielen Endgeräten in Form von Sensoren und Aktoren, mehreren Gateways und einem zentralen Network-Server. Die Endgeräte kommunizieren mit den Gateways. Und die Gateways sind mit dem Network-Server verbunden. Der Network-Server kommuniziert über verschiedene Protokolle (z.B. REST, MQTT, usw.) mit einer Anwendung, die als Applikation in der Cloud betrieben wird.

Frequenzbereiche

LoRaWAN nutzt lizenzfreie Frequenzbänder in Europa um 868 MHz und in den USA um 915 MHz.

Reichweite

Das Funksystem hat eine hohe Sensibilität von -137 dBm. Damit bietet die Technik eine höhere Durchdringung bis tief in Gebäude und Kellerräume hinein, was die Verfügbarkeit des Netzes erhöht.
Die Reichweite zwischen Sender und Empfänger beträgt je nach Umgebung und Bebauung ca. 3 km (Stadt), ca. 6 km (Vororte) und bis zu 13 km (ländliche Gebiete).

Übertragungsrate

Zur Maximierung der Batterielebensdauer und der Steuerung der Gesamtnetzkapazität (begrenzt durch regulatorische Vorgaben), steuert das LoRaWAN die Datenrate und den HF-Ausgang mittels adaptiver Datenrate (ADR) einzeln für jedes Endgerät.
Die Kommunikation zwischen Endgerät und Gateway erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit unterschiedlichen Datenraten. Die Datenraten reichen von 0,3 bis 50 kBit/s. Ein LoRa-Paket kann aber maximal 59 Byte an Nutzdaten enthalten.

Endgeräteklassen

LoRaWAN unterscheidet verschiedene Endgeräteklassen, wobei nur die Klasse A für Anwendungen im Internet der Dinge interessant ist. Das Endgerät befindet sich in einem batterieschonenen Zustand und sendet nur kurz bei einer Zustandsänderung. Zum Endgerät kann dann nur in dieser Zeit etwas gesendet werden.
Zusammen mit dem Funkmodul sind diese Endgeräte wegen ihrer Einfachheit sehr günstig und eignen sich auch zur Deckung eines hohen Bedarfs.

Anwendungen

Typische Anwendung sind Statusinformationen erfassen, abfragen und austauschen. Mit Sensoren, die sich an beliebigen Orten befinden, können Informationen ermittelt oder gewonnen werden, die auf einfache Weise in eine Applikation integriert werden können.

Übersicht: IoT-Funksysteme

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