LoRa-Funktechnik
Um eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch zu erreichen, nutzt LoRa eine Frequenzspreizung. Dadurch können Interferenzen weitestgehend vermieden und schmalbandige Störungen umgangen werden.
Die Übertragungstechnik heißt „Chirp Spread Spectrum“. Hierbei erfolgt die Signalübertragung als eine Art Zirpen. Dabei wird der Zirp-Impuls über einen großen Frequenzbereich gespreizt. Wahlweise kann die Bandbreite für eine hohe Datenrate oder eine robuste Übertragung genutzt werden. Der Spreizfaktor (Spreading Factor) und die Bandbreite bestimmen, wie hoch die Datenrate sein kann und wie hoch die Empfangswahrscheinlichkeit ist, dass ein Signal auch ankommt.
Signale, die mit verschiedenen Spreizfaktoren moduliert und über denselben Kanal (Frequenz) übertragen werden, stören sich nicht gegenseitig. Die Orthogonalität der Spreizfaktoren ermöglicht gleichzeitiges Senden mehrerer Endgeräte im selben Kanal.
Um die LoRa-Funktechnik in den Frequenzbereichen 433 und 868 MHz nutzen zu können, muss man sich an Regeln halten, die vorgegeben sind, damit eine Allgemeinzuteilung (kostenlose Nutzung für alle) funktioniert. Wichtig zu wissen ist, wird man von der Bundesnetzagentur (DE), KommAustria (AT) oder das BAKOM (CH) beim nicht konformen Funken erwischt, drohen Bußgelder und Beschlagnahmung der verwendeten Geräte. Manche Geräte und LoRa-Module helfen dabei, die Regeln einzuhalten. Es ist sinnvoll Geräte zu verwenden, die sich nur so konfigurieren lassen, dass die Regeln eingehalten werden.
Übersicht: Parameter bzw. Merkmale der LoRa-Funktechnik
- Tastgrad
- Sendeleistung
- Datenrate (Spreizfaktor und Bandbreite)
- RSSI - Received Signal Strength Indicator
- SNR - Signal-to-Noise Ratio
- Bewertung einer LoRa-Funkverbindung mit RSSI und SNR
- TCP/IP und LoRa
Tastgrad
Der Tastgrad beschreibt, wie lange ein Sender pro Zeiteinheit senden darf. In der EU gilt im 868-MHz-Bereich, dass auf den meisten Kanälen ein Prozent pro Stunde gesendet werden darf. Das entspricht 36 Sekunden pro Stunde. Diese Einschränkung soll verhindern, dass ein Nutzer dauerhaft Daten sendet und so das Frequenzband für andere Nutzer nicht nutzbar ist.
Sendeleistung
Die Sendeleistung ist die Energie, mit der die elektromagnetischen Wellen von der Antenne abgestrahlt werden. Man könnte sagen, das ist die Stärke des Sendesignals, womit auch Einfluss auf die Reichweite genommen wird. Ist die Sendeleistung sehr hoch, blockiert das sendende Gerät den Kanal über eine große geografische Fläche. Unter Umständen unnötigerweise.
Da sich die Sendeleistung in der Regel konfigurieren lässt, muss man ein Auge darauf haben, was erlaubt ist. Nur weil ein LoRa-Modul eine hohe Sendeleistung unterstützt, heißt das nicht, dass man sie in der EU nutzen darf.
Hinweis: In Europa gilt eine maximale Sendeleistung von 14 dBm für den Frequenzbereich 868 MHz.
Datenrate
Die erforderliche Datenrate kann man in der Regel nicht direkt konfigurieren. Die ergibt sich aus der Kombination aus Spreizfaktor (Spreading Factor) und Bandbreite (Bandwidth). In Europa gilt eine Bandbreite von 125 kHz. Beim Spreizfaktor von 7 darf auch eine Bandbreite von 250 kHz verwendet werden.
In Europa gelten bei 433 und 868 MHz folgende Werte:
| Spreizfaktor (Uplink) |
Bandbreite | Datenrate | Reichweite | Time on Air (11 Byte Payload) |
|---|---|---|---|---|
| SF12 | 125 kHz | 250 Bit/s | ||
| SF11 | 125 kHz | 440 Bit/s | ||
| SF10 | 125 kHz | 980 Bit/s | 8 km | 371 ms |
| SF9 | 125 kHz | 1.760 Bit/s | 6 km | 185 ms |
| SF8 | 125 kHz | 3.125 Bit/s | 4 km | 103 ms |
| SF7 | 125 kHz | 5.470 Bit/s | 2 km | 61 ms |
| 250 kHz | 11.000 Bit/s | |||
| FSK | 50 kbps | 50.000 Bit/s |
Hinweis: Die tatsächlich erreichbare Datenrate und Reichweite kann von den hier genannten Werte abweichen und ist von den Umgebungsbedingungen, der Bebauung und dem Gelände abhängig.
RSSI - Received Signal Strength Indicator
RSSI steht für „Received Signal Strength Indicator“ und ist eine Messgröße für die Signalstärke des empfangenen LoRa-Funksignals.
Der RSSI-Wert gibt an, wie stark das empfangene Funksignal im Vergleich zum Hintergrundrauschen ist. Es wird oft in Dezibel (dBm) gemessen und kann einen negativen Wert haben. Je höher der RSSI-Wert ist, desto stärker ist das empfangene Signal.
RSSI wird verwendet, um die Signalqualität und die Reichweite von LoRa-Geräten und -Netzwerken zu bewerten. Ein niedriger RSSI-Wert deutet auf eine schwache Signalstärke hin, die zu einer eingeschränkten Reichweite und einer möglichen Beeinträchtigung der Datenübertragung führen kann. Ein hoher RSSI-Wert hingegen zeigt eine gute Signalstärke an und kann auf eine robuste Verbindung und eine größere Reichweite hinweisen.
Allerdings ist der RSSI-Wert allein nicht ausreichend, um die Qualität der Funkverbindung zu bestimmen, da es keine Informationen über andere Faktoren wie Signalrauschen, Interferenzen oder Signal-Rausch-Verhältnis liefert. Für eine umfassendere Bewertung der Verbindungsqualität sollten weitere Metriken wie SNR (Signal-to-Noise Ratio) und BER (Bit Error Rate) herangezogen werden.
SNR - Signal-to-Noise Ratio
SNR steht für „Signal-to-Noise Ratio“ und bezieht sich auf das Verhältnis zwischen dem Nutzsignal und dem Hintergrundrauschen in einem empfangenen Signal. Manchmal spricht man vom Signal-Rausch-Verhältnis. SNR ist wichtig bei der Bewertung der Signalqualität.
SNR wird in Dezibel (dB) gemessen und gibt an, wie stark das Nutzsignal im Vergleich zum Rauschpegel ist. Ein höherer SNR-Wert bedeutet, dass das Nutzsignal im Verhältnis zum Rauschen stärker ist und somit eine bessere Signalqualität aufweist.
In der Regel ist ein höherer SNR-Wert wünschenswert, da er auf eine robustere Verbindung, eine höhere Zuverlässigkeit und eine größere Reichweite hindeutet.
Ein niedriger SNR-Wert hingegen deutet auf eine schwächere Signalqualität, geringe Reichweite, eine erhöhte Fehleranfälligkeit und eine geringere Datenrate hin.
Allerdings kann ein niedriger SNR-Wert durch verschiedene Faktoren verursacht werden. beispielsweise zu weit entfernte Sender, gestörte Signale, Interferenzen durch andere Funkgeräte oder Umgebungseinflüsse.
Bewertung einer LoRa-Funkverbindung mit RSSI und SNR
Die Werte von RSSI (Received Signal Strength Indicator) und SNR (Signal-to-Noise Ratio) stehen beide im Zusammenhang mit der Signalqualität einer LoRa-Verbindung. Allerdings liefern sie unterschiedliche Informationen.
In Bezug auf die LoRa-Verbindung können sowohl der RSSI-Wert als auch der SNR-Wert verwendet werden, um eine Bewertung der Verbindungsqualität zu ermöglichen.
RSSI gibt die Stärke des empfangenen Funksignals im Vergleich zum Hintergrundrauschen an. Es ist ein Maß für die absolute Signalstärke, unabhängig vom Rauschpegel. Ein höherer RSSI-Wert deutet auf eine stärkere Signalstärke hin, während ein niedrigerer Wert auf eine schwächere Signalstärke hindeutet.
SNR hingegen gibt das Verhältnis zwischen dem Nutzsignal und dem Hintergrundrauschen an. Es ist ein Maß für die Signalqualität, indem es das Nutzsignal in Bezug auf das Rauschen bewertet. Ein höherer SNR-Wert deutet auf ein stärkeres Nutzsignal im Verhältnis zum Rauschen hin und weist auf eine bessere Signalqualität hin. Ein niedrigerer SNR-Wert bedeutet, dass das Rauschen im Verhältnis zum Nutzsignal stärker ist, was auf eine schlechtere Signalqualität hindeutet.
TCP/IP und LoRa
Um im Internet Daten zu übertragen, wird in der Regel TCP/IP verwendet. Das bedeutet, dass auf der gesamten Übertragungsstrecke zwischen Host und Host durchgängig TCP/IP verwendet wird.
Da das die Regel ist, stellt ich natürlich die Frage, ob über die Funkverbindung von LoRa und LoRaWAN auch TCP/IP verwendet wird? Grundsätzlich wäre das technisch machbar. Aber in der Praxis macht das wenig Sinn. Denn Datenrate und mögliche Nutzlast sind bei LoRa so gering, dass wegen der IP-Fragmentierung (Aufteilung) extrem viele Pakete per Funk übertragen werden müssten und die tatsächliche Nutzdatenrate auf IP-Ebene sehr gering wäre. Desweiteren würden die TCP-Handshakes und Status-Nachrichten den Tastgrad überschreiten und deshalb zu Zeitüberschreitungen und damit Verbindungsabbrüchen führen.
Faktisch schließen sich TCP/IP und LoRa zusammen aus.
Übersicht: LoRa und LoRaWAN
- LoRa und LoRaWAN: Grundlagen
- LoRa und LoRaWAN: Anwendungen
- LoRa und LoRaWAN: Architektur
- LoRa und LoRaWAN: Netzwerke
- LoRa-Endgeräte-Klassen (A, B und C)
- LoRa-Endgeräte-Aktivierung (ABP vs. OTAA)
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IoT mit dem Raspberry Pi Pico mit LoRa, LoRaWAN und The Things Network (TTN)
- Raspberry Pi Pico: Daten an das TTN-LoRaWAN mit LoRa-Modul RAK3272S senden
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Elektronik-Set LoRa Edition
Leichter Einstieg in LoRa mit The Things Network (TTN)
Mit dem Elektronik-Set LoRa Edition kannst Du Dein eigenes IoT-Endgerät bauen und mit Deinem eigenen LoRaWAN oder dem LoRaWAN von The Things Network (TTN) verbinden. Als Basis dient das LoRa-Modul RAK3272S Breakout Board von RAK Wireless. Wahlweise kannst Du das LoRa-Modul mit einen Mikrocontroller oder einem PC steuern.
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