Was ist LoRa?
LoRa steht für “Long Range, low Power” und bezieht sich auf eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die entwickelt wurde, um Daten über große Entfernungen zu übertragen. Diese Technologie wird häufig für das Internet der Dinge (IoT) und Machine-to-Machine (M2M) Kommunikation eingesetzt. LoRa bietet eine Möglichkeit zur drahtlosen Datenübertragung über große Entfernungen bei niedrigem Energieverbrauch, was sie besonders gut für batteriebetriebene Geräte und Anwendungen macht, die eine lange Lebensdauer der Batterie erfordern.
Die wichtigsten Merkmale von LoRa sind:
- Große Reichweite: LoRa-Technologie ermöglicht die Übertragung von Daten über Entfernungen von mehreren Kilometern bis zu mehreren zehn Kilometern, je nach den Umgebungsbedingungen und der verwendeten Hardware.
- Niedriger Energieverbrauch: LoRa-Geräte sind energieeffizient und können daher mit Batterien oder anderen energieeffizienten Energiequellen betrieben werden. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen der Batterieverbrauch minimiert werden muss.
- Niedrige Datenraten: LoRa bietet vergleichsweise niedrige Datenraten im Vergleich zu anderen drahtlosen Technologien wie Wi-Fi oder 4G/5G. Dies ist jedoch ausreichend für viele IoT-Anwendungen, bei denen nur gelegentliche kleine Datenmengen übertragen werden müssen.
- Lange Batterielebensdauer: Aufgrund des niedrigen Energieverbrauchs und der Effizienz von LoRa-Geräten können sie oft jahrelang ohne Batteriewechsel betrieben werden.
LoRa basiert auf einer Modulationstechnik, die es ermöglicht, Signale auch unter schlechten Funkbedingungen zu empfangen. Diese Technologie wird oft in Verbindung mit einem LoRaWAN (LoRa Wide Area Network) verwendet, einem drahtlosen Netzwerkprotokoll, das speziell für die Kommunikation mit LoRa-Geräten entwickelt wurde. LoRaWAN ermöglicht die Kommunikation zwischen LoRa-Geräten und einem zentralen LoRaWAN-Netzwerkserver, der die gesammelten Daten von den Geräten verarbeitet und weiterleitet.
LoRa und LoRaWAN haben eine breite Palette von Anwendungen, darunter Smart Cities, Umweltüberwachung, Asset-Tracking, Landwirtschaft, intelligente Gebäude und vieles mehr. Sie bieten eine kosteneffiziente Möglichkeit, drahtlose Konnektivität für IoT-Anwendungen bereitzustellen, die über große geografische Gebiete verteilt sind.
Bandbreite vs. Reichweite
LoRaWAN eignet sich für die Übertragung kleiner Nutzdaten (wie Sensordaten) über große Entfernungen. Die LoRa-Modulation bietet eine deutlich größere Kommunikationsreichweite bei geringerer Bandbreite als andere konkurrierende Technologien zur drahtlosen Datenübertragung. Die folgende Abbildung zeigt einige Zugangstechnologien, die für die drahtlose Datenübertragung verwendet werden können, und ihre erwarteten Übertragungsreichweiten im Vergleich zur Bandbreite.
Frequenzbereiche
Hier sind die gebräuchlichsten Frequenzbänder für LoRa (abhängig von der Region und den regulatorischen Vorschriften):
- 868MHz: In Europa das am häufigsten verwendete Frequenzband für LoRa-Technologie aufgrund seiner ausgezeichneten Reichweite und Durchdringungseigenschaften. In Nordamerika wird das 915 MHz Band verwendet. Die genauen Frequenzbereiche können je nach Land variieren, da die Regulierungsbehörden die Verwendung bestimmter Frequenzen festlegen.
- 433 MHz-Band: Das 433 MHz-Band wird ebenfalls in der Schweiz für LoRa-Kommunikation verwendet, obwohl es weniger üblich ist als das 868 MHz-Band. Dieses Band bietet sich für Amateufunkanwendungen an.
- 2,4-GHz-Band: In einigen Regionen wird LoRa auch im 2,4-GHz-Band eingesetzt. Dieses Band wird weltweit für WLAN und andere drahtlose Technologien genutzt, und die Verwendung von LoRa im 2,4-GHz-Band kann daher stärkeren Störungen unterliegen.
Übertragungsraten
Die Übertragungsraten liegen für LoRa im Sub GHz Band je nach Konfiguration zwischen maximal 125 bps (Bits pro Sekunde) und einige Bits pro Sekunde wenn eine grosse Reichweite angestrebt wird.
Sendeleistung
Die Sendeleistung der üblichen Geräte ist 15dBm. Es darf nur während 1% der Zeit gesendet werden.
Modulationsart “Chirp Spread Spectrum” (CSS)
LoRa (Long Range) verwendet eine spezielle Modulationsart namens “Chirp Spread Spectrum” (CSS). Chirp Spread Spectrum ist eine Art der Frequenzmodulation, bei der die Frequenz des Trägersignals linear über die Zeit geändert wird, was als “Chirp” bezeichnet wird. Dieser Chirp braucht eine sehr grosse Bandbreite (typ. 125kHz).
LoRa verwendet drei verschiedene Bandbreiten: 125kHz, 250kHz and 500kHz (in diesem Beispiel wird 125kHz verwendet.). LoRa-Symbole werden über einen Up-Chip von 125kHz Bandbreite moduliert und je nach Datenratenanforderung und Kanalbedingungen werden unterschiedliche orthogonale Spreizungsfaktoren verwendet. LoRa verwendet die Spreading Factors SF7 bis SF12.
Hier ein Spektrogramm für verschiedene Streufaktoren:
Beispiel einer Aussendung in CSS
Der LoRa-Physical-Layer besteht aus 8 Präambelsymbolen, 2 Synchronisationssymbolen, physischer Nutzlast und optional CRC.
- SF8 benötigt genau das Doppelte der Zeit von SF7 und SF9 genau das Doppelte der Zeit von SF8.
- Verhältnis von Symbolrate(r), Bandbreite(BW) und Ausbreitungsfaktor(SF): RS = BW / (2^SF)
- Höher der Ausbreitungsfaktor -> Höher die Freizeit.
- Reduzieren Sie den Spreadfaktor -> Höhere Datenrate.
Hier ist das Spektrogramm der physikalischen LoRa-Schicht:
Die erste 8 Up-Chirp-Symbole sind Präambel-Symbole, die zur Erkennung von LoRa-Chirps verwendet werden, die nächste 2 Down-Chirp-Symbole sind Synchronisationssymbole, die zur zeitlichen Synchronisation verwendet werden, gefolgt von den 5 modulierten Symbolen (Nutzlast). Der Frequenzsprung stellt das modulierte Symbol dar.
Die wichtigsten Merkmale und Eigenschaften von Chirp Spread Spectrum sind:
- Frequenzmodulation: Im CSS-Verfahren wird die Information durch eine kontinuierliche Änderung der Trägerfrequenz dargestellt. Dies steht im Gegensatz zur herkömmlichen Amplitudenmodulation (AM) oder Frequenzmodulation (FM), bei denen die Information durch Änderungen in Amplitude oder Frequenz des Trägersignals dargestellt wird.
- Lineare Frequenzänderung: Der Chirp-Prozess erfolgt linear, was bedeutet, dass die Frequenz des Signals mit einer konstanten Rate über die Zeit ansteigt oder abfällt. Diese lineare Frequenzänderung ermöglicht es, Signale zu unterscheiden, auch wenn sie über große Entfernungen oder in Umgebungen mit vielen Reflexionen und Störungen empfangen werden.
- Schmale Bandbreite: Chirp Spread Spectrum-Signale haben normalerweise eine schmale Bandbreite im Vergleich zu anderen Modulationsarten. Dies bedeutet, dass sie wenig Spektrum benötigen und mehrere Chirp-Signale gleichzeitig in einem Frequenzbereich übertragen werden können, ohne sich gegenseitig zu stören.
- Robustheit gegenüber Störungen: CSS ist robust gegenüber Störungen und Mehrwegeausbreitung, was bedeutet, dass Signale auch in Umgebungen mit vielen Hindernissen und Interferenzen zuverlässig empfangen werden können.
- Geringer Energieverbrauch: Aufgrund der schmalen Bandbreite und der Möglichkeit, Signale mit niedriger Sendeleistung zu übertragen, ist CSS energieeffizient, was es ideal für batteriebetriebene Geräte und IoT-Anwendungen macht.
Insgesamt ermöglicht die Chirp Spread Spectrum-Modulation die Übertragung von Informationen über große Entfernungen bei niedrigem Energieverbrauch und hoher Zuverlässigkeit. Dies macht sie besonders geeignet für Anwendungen, bei denen eine drahtlose Kommunikation über lange Reichweiten erforderlich ist, wie es in IoT-Anwendungen oft der Fall ist.
Praktische Anwendungen von LoRa im Amateurfunk
LoRa-APRS
Ein neues APRS System wurde in Teilen der Schweiz aufgebaut. Es verwendet LoRa 433MHz Module und funktioniert mit wesentlich weniger Leistung als das traditionelle APRS auf 2m (https://github.com/lora-aprs/LoRa_APRS_Tracker )
Link: https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=170
APRS-iGates der SWISS-ARTG: https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=61&tx_news_pi1%5Bnews%5D=295&tx_news_pi1%5Bcontroller%5D=News&tx_news_pi1%5Baction%5D=detail&cHash=a93825eacdb54d2bb184166ba60c2467
LoRa Bausatz: https://www.swiss-artg.ch/index.php?id=174#c524
LoRa abhören
LoRa wird von Kleinstsatelliten zur Übertragung von Telemetriedaten verwendet. Diese Satelliten können abgehört werden (https://tinygs.com/)
LoRaWAN
LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das speziell für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurde und basiert auf der LoRa-Technologie (Long Range). LoRaWAN erweitert die LoRa-Technologie, indem es ein Netzwerkprotokoll bereitstellt, das die Kommunikation zwischen LoRa-fähigen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver ermöglicht.
Hier sind die wichtigsten Komponenten von LoRaWAN:
- Endgeräte (LoRa-Nodes): Dies sind die IoT-Geräte, die Daten sammeln oder steuern und mit dem LoRaWAN-Netzwerk kommunizieren. Diese Geräte sind in der Regel mit LoRa-Funkmodulen ausgestattet und können verschiedene Sensoren, Aktoren oder andere IoT-Komponenten enthalten.
- Gateways: LoRaWAN-Gateways sind Geräte, die Daten von den Endgeräten empfangen und an den zentralen Netzwerkserver weiterleiten. Diese Gateways sind strategisch in einem Gebiet platziert, um eine gute Abdeckung sicherzustellen.
- Netzwerkserver: Der zentrale Netzwerkserver ist das Herzstück eines LoRaWAN-Netzwerks. Er empfängt Daten von den Gateways, verarbeitet sie, leitet sie an die richtigen Anwendungen weiter und stellt sicher, dass die Kommunikation sicher und zuverlässig ist.
- Anwendungen: Anwendungen und Dienste, die auf die von den Endgeräten gesammelten Daten zugreifen und diese nutzen, um spezifische Anforderungen zu erfüllen. Dies können Anwendungen zur Überwachung von Umweltbedingungen, Asset-Tracking, intelligente Städte und vieles mehr sein.
Link: https://www.lora-wan.de/
LoRa Alliance
Die LoRa Alliance ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die eine wichtige Rolle bei der Förderung, Entwicklung und Standardisierung der LoRaWAN-Technologie spielt. Ihre Hauptziele und Aufgaben umfassen:
- Standardisierung: Die LoRa Alliance arbeitet daran, offene Standards für LoRaWAN zu entwickeln und zu fördern. Dies hilft, Interoperabilität zwischen verschiedenen LoRaWAN-Geräten und Netzwerken sicherzustellen und die breite Akzeptanz der Technologie zu fördern.
- Zertifizierung: Die LoRa Alliance betreibt ein Zertifizierungsprogramm, das sicherstellt, dass LoRaWAN-Geräte und -Netzwerke den festgelegten Standards entsprechen. Dies fördert die Qualität und Zuverlässigkeit der LoRaWAN-Implementierungen.
- Förderung der Technologie: Die LoRa Alliance arbeitet daran, das Bewusstsein für LoRaWAN und seine Anwendungsfälle zu schärfen. Dies geschieht durch Marketinginitiativen, Veranstaltungen und Bildungsbemühungen.
- Interessenvertretung: Die LoRa Alliance vertritt die Interessen ihrer Mitglieder und der LoRaWAN-Community auf politischer und regulatorischer Ebene. Dies beinhaltet die Zusammenarbeit mit Regulierungsbehörden und die Unterstützung von Richtlinien, die die Verwendung von LoRaWAN fördern.
- Ökosystemaufbau: Die LoRa Alliance fördert den Aufbau eines umfassenden LoRaWAN-Ökosystems, indem sie Unternehmen, Forschungsinstitute, Entwickler und Anwender zusammenbringt. Dies trägt zur Innovation und Weiterentwicklung von LoRaWAN bei.
- Entwicklung von Spezifikationen: Die LoRa Alliance arbeitet an der Entwicklung von LoRaWAN-Spezifikationen, um sicherzustellen, dass die Technologie den sich ändernden Anforderungen und Herausforderungen des IoT gerecht wird.
Die LoRa Alliance hat eine breite Mitgliederbasis, zu der Unternehmen, Forschungseinrichtungen und andere Organisationen gehören, die an der Förderung und Weiterentwicklung von LoRaWAN interessiert sind. Ihre Bemühungen haben dazu beigetragen, LoRaWAN zu einer weit verbreiteten und akzeptierten Technologie für das Internet der Dinge (IoT) zu machen und die weltweite Verfügbarkeit von LoRaWAN-Netzen und -Geräten zu fördern.
The Things Network
Das ist ein von Enthusiasten gegründetes LoRaWAN Netzwerk das aus vielen privaten Gateways und einem offenen Netzwerk besteht. Es kann von allen Sensoren gratis benutzt werden.
Helium
Das ist ein geschlossenes LoRaWAN Netzwerk, das hauptsächlich zum schürfen einer Kryptowährung verwendet wird. Die Teilnahme geschieht auf eigenes Risiko.
Ausserdem gibt es einige kommerzielle LoRaWAN Netzwerke. In der Schweiz wird ein solches von Swisscom betrieben.
Link: https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/what-is-lorawan/
Link: https://lora-alliance.org/
LoRa Spezifikationen (auch LoRaWAN): https://resources.lora-alliance.org/technical-specifications
Quelle: https://chat.openai.com/share/a9cdf312-c8ba-4ef4-8d7e-1c15def48177
Quelle: https://www.sghoslya.com/p/lora-is-chirp-spread-spectrum.html