Low Power Wide Area Network Vergleich der Reichweiten

LPWAN-Funktransceiver mit mystischen Reichweiten
LPWAN-Funktransceiver mit mystischen Reichweiten

An vielen Stellen liest man immer wieder von der mystischen Reichweite von 15 km bei LPWAN. Ein Hersteller für LPWAN-Funktransceiver wirbt auf seiner Homepage sogar mit 15 Meilen bis 30 Meilen, das wären 24 km bis 48 km. Warum nicht gleich 700 km bzw. 4400 km?

Keine der Reichweitenangaben für LPWAN von 15, 24 oder 48 km beziehen sich auf irgendeine mathematische oder physikalische Grundlage zur Berechnung. Dafür sind erst einmal einige physikalische Randbedingungen zu benennen.

Die maximale Sendeleistung für Funk-IoT-Geräte liegt in Deutschland im lizenzfreien 868-MHz-Band bei +14 dBm ERP (Effective Radiated Power – effektive Strahlungsleistung). Die Empfindlichkeit der Funktransceiver ist bei den Herstellern und Funkprotokollen unterschiedlich benannt.

Bei Weightless P z.B. –134 dBm bei 600 bit/s und bei LoRaWAN sind es laut LoRa Modem Calculator Tool –134 dBm bei 292,97 bit/s (Bild 1).

Bei LTE-Cat-NB1 (zuvor auch als NB-IoT bezeichnet) wird bei 23 dBm Sendeleistung eine Leistungsübertragungsbilanz (Link Budget, LB) von 164 dB bei ca. 50 bit/s genannt. Wenn die Leistungsübertragungsbilanz bei LTE-Cat-NB1 auf 161 dB reduziert wird, dann erhöht sich die Übertragungsrate bereits auf mehrere hundert Bit pro Sekunde und liegt dann in der Nähe der Datenrate von Weightless P – und somit deutlich höher als bei LoRaWAN. Wird LoRaWAN mit höherer Datenrate betrieben, z.B. mit 537,11 bit/s, reduziert sich die Empfindlichkeit auf –131,5 dBm (Bild 2). Wird die Übertragungsrate in der Nähe von 600 bit/s gleich angenommen, dann hat LTE-Cat-NB1 bei der Leistungsübertragungsbilanz die Nase vorn.

Für die Reichweitenberechnung wird nachfolgend vorerst für LoRaWAN die niedrigere Datenrate von 292 bit/s mit der Empfindlichkeit von -134 dBm angesetzt. Die Leistungsübertragungsbilanz wird aus dem Delta der maximalen Sendeleistung und der Empfindlichkeit gebildet und ergibt somit 148 dB für LoRaWAN. Im ersten Ansatz sei der Weltraum als Umgebung angenommen, dort gilt die Formel für Freiraumdämpfung (F – Free Space Path Loss, FSPL):

F equals 10 log open parentheses fraction numerator 4 times pi times r times f over denominator c end fraction close parentheses squared

mit:
c = Lichtgeschwindigkeit
f = Frequenz
r = Radius

Zur großen Überraschung liefert diese Formel bei 148 dB Leistungsübertragungsbilanz keine 15 km Reichweite, sondern 690 km. Mit den 164 dB Leistungsübertragungsbilanz von LTE-Cat-NB1 steigt die Reichweite sogar auf 4355 km. Im Weltraum kommen die Funksignale also viel weiter. Doch nun zurück auf den Boden der Tatsachen, an einen Strand mit Blick übers Meer auf den Horizont.

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Vergleich der Reichweiten