LoRa Funktechnik

LoRa (Long Range) ist eine Funktechnik für kleine Datenmengen über große Entfernungen. Sie braucht sehr wenig Energie, funktioniert ohne Mobilfunkvertrag und benötigt im lizenzfreien Frequenzbereich keine Funklizenz. Genau das macht sie ideal für Messwerte: Ein Node sendet ein kurzes Datenpaket, schläft wieder ein und kommt mit einer Batterie lange aus.

Das HC-50 setzt LoRa für die Strecke zwischen Nodes und Gateway ein. Das Gateway leitet die Werte anschließend per WLAN weiter, siehe HC-50 Serie.

Das HC-50 im Überblick

Reichweite

Wie weit ein Signal trägt, lässt sich vorab abschätzen. Die obigen Abbildungen zeigen eine Simulation mit dem Online-Dienst Radio Mobile Online des Funkamateurs Roger Coudé. Sie geht von einer Sendeleistung von 10 mW (10 dBm) aus und berücksichtigt Verluste und Gewinne durch Antennen und Kabel nur grob.

Eine Simulation bleibt eine Berechnung. In der Praxis hängt die Reichweite stark vom Gelände und der Bebauung ab, dazu kommen Störungen durch andere Sender auf benachbarten Frequenzen und das Wetter. Mit einer klugen Platzierung der Gateways ist eine kostengünstige, großflächige Abdeckung trotzdem gut machbar.

Was die Reichweite verbessert

• Freie Sicht: Je weniger Gebäude, Hügel und Wald zwischen Node und Gateway liegen, desto besser. Eine erhöhte Position am Mast oder auf dem Dach hilft am meisten.
• Abstand zu Metall: Große Metallflächen und Stahlbeton in unmittelbarer Nähe schwächen das Signal.
• Passende Antenne: Siehe nächster Abschnitt.
• Kurze Antennenleitung: Jedes Meter Kabel kostet Signal.

Tipps zur Standortwahl finden Sie bei der Gateway-Montage und im Abschnitt „Standort und Befestigung“ der Node-Anleitung.

Antennen

Gateway und Nodes haben eine innenliegende Antenne und sind damit rundum geschützt. Für die meisten Einsätze reicht sie aus. Eine externe Antenne lohnt sich, wenn der Standort schwierig ist, z.B. bei viel Metall in der Umgebung, oder wenn die Reichweite deutlich vergrößert werden soll. Sprechen Sie uns dazu bitte an.

Es gibt die unterschiedlichsten Antennen am Markt. Günstige LoRa-Platinen werden meist mit einer kleinen Antenne geliefert, wie auf dem Bild zu sehen. Sie erreicht unter guten Bedingungen bereits 2 bis 3 km.

Für eine Basisstation eignet sich eine Antenne mit omnidirektionaler Abstrahlung und möglichst hohem Gewinn. Eine lange Antennenleitung bringt dagegen Verluste mit sich. Es gilt also, einen alltagstauglichen Kompromiss zu finden. Je nach Montagesituation und gewünschter Abdeckung kann mit verschiedenen Antennen experimentiert werden.

Beispiel: DeLock 433-MHz-Antenne mit 3 dBi Gewinn

Funkparameter

Frequenz, Spreizfaktor und Bandbreite bestimmen, wie weit und wie schnell gefunkt wird. Beim HC-50 sind sie fest eingestellt, Sie müssen nichts konfigurieren. Das Hintergrundwissen hilft aber, das Verhalten des Systems zu verstehen.

Frequenz

In der EU sind für LoRa die Bänder 433 MHz und 868 MHz zugelassen. Das HC-50 nutzt 433 MHz. Niedrigere Frequenzen breiten sich bei gleicher Sendeleistung günstiger aus und durchdringen Hindernisse besser als höhere.

Alle HC-50-Geräte einer Anlage nutzen denselben Funkkanal. Bei mehreren Gateways in gegenseitiger Reichweite lassen Sie sich bitte vorher beraten, siehe Firmwarefeatures.

Spreizfaktor

Der Spreizfaktor (Spreading Factor, SF) bestimmt, wie viele Symbole zur Kodierung der Nutzdaten verwendet werden. Er ist für LoRa von SF6 bis SF12 festgelegt. Bei SF7 sind es 128 Symbole, bei SF11 schon 2048 für dieselben Daten. Ein Paket mit 64 Byte dauert bei SF7 etwa 120 ms, bei SF11 deutlich über eine Sekunde.

Das HC-50 arbeitet mit SF9. Ein Datenpaket dauert damit rund 0,2 Sekunden. Das ist lang genug für gute Reichweite und kurz genug, um die Batterie zu schonen und die vorgeschriebene Sendezeitbegrenzung einzuhalten.

Bandbreite

Die Bandbreite der LoRa-Modulation ist einstellbar, definiert sind unter anderem 31,25 kHz, 62,5 kHz, 125 kHz, 250 kHz und 500 kHz. Eine kleinere Bandbreite braucht deutlich mehr Zeit für eine Nachricht. Bandbreiten unter 125 kHz funktionieren nur mit spezieller Hardware (u.a. mit temperaturkompensiertem Quarz, TCXO). Ab 125 kHz laufen alle gängigen LoRa-Chipsätze stabil. Das HC-50 nutzt deshalb 125 kHz.

Signalqualität: RSSI und SNR

Wie gut eine Funkverbindung ist, beschreiben zwei Werte. Das Gateway erfasst sie für jedes empfangene Paket und liefert sie als Messwerte mit.

• RSSI (Received Signal Strength Indicator) ist die Stärke des empfangenen Signals in dBm. Der Wert ist immer negativ: je näher an 0, desto stärker das Signal.
• SNR (Signal-to-Noise Ratio) ist der Abstand zwischen Signal und Hintergrundrauschen in dB. Ist er positiv, liegt das Signal über dem Rauschen. Ist er negativ, steckt es im Rauschen.

Das Besondere an LoRa: Die Funktechnik kann Signale auch unterhalb des Rauschpegels noch auslesen. Je größer der Spreizfaktor, desto weiter darunter. Entscheidend ist deshalb nicht nur, wie stark das Signal ist, sondern wie viel Abstand zur Empfindlichkeitsgrenze bleibt (Link-Marge).

Links liegt das Signal (RSSI, grün) klar über dem Hintergrundrauschen (blau), der Abstand dazwischen ist der Spielraum. Rechts liegt es darunter und ist trotzdem noch lesbar, solange es über der Empfindlichkeitsgrenze des Spreizfaktors bleibt.

Richtwerte für diese Grenze bei 125 kHz Bandbreite: