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Funkübertragung im ISM-Band: Mehr Reichweite

Das Internet der Dinge braucht Funkverfahren, die mit wenig Leistung eine hohe Reichweite bieten, um Kosten für Infrastruktur und Wartung gering zu halten. Eine neue Funktechnik für das lizenzfreie ISM-Band ermöglicht bei niedrigen Daten­raten mobilfunkähnliche Distanzen.

Das ISM-Band ermöglicht hohe Reichweite mit wenig Leistung und niedriger Datenrate Bildquelle: © IMST
Das ISM-Band ermöglicht hohe Reichweite mit wenig Leistung und niedriger Datenrate.

Das Internet der Dinge (Internet of Things – IoT) ist der nächste Schritt hin zu umfassender Vernetzung von Maschinen und Geräten. Weil diese Geräte in der Regel kostensensitiv sind, muss die enthaltene Funktechnik für deutlich unter 10 Euro verfügbar sein. WLAN oder Mobilfunk ist hierfür meist zu kostspielig, sodass sich Funkmodule für die ISM-Frequenzbänder, die lizenzfrei genutzt werden können, anbieten. Allerdings ist bis dato der Einsatzbereich von ISM-Band-Funk durch die begrenzte Reichweite von nur einigen zehn Metern im Innenbereich zum Aufbau von Netzen sehr begrenzt.

Eine neue Funktechnik namens LoRa – Abkürzung für „Long Range“ – bietet im Vergleich zu klassischen Funksystemen im ISM-Band viel höhere Reichweiten, bis hin zu 15 km bei freier Sicht auf den Sender. Das Verfahren wurde von Semtech entwickelt und patentiert. Die hohe Reichweite ist dank eines Korrelationsmechanismus möglich, der auf Bandspreizungsverfahren basiert. Gefunkt wird im europäischen ISM-Band mit einer Trägerfrequenz von 868 MHz. Eine wesentliche Eigenschaft von LoRa-Funk-Transceivern ist die Entkopplung von Bandbreite und Bitrate. Mittels des Spreizfaktors kann das Verhältnis zwischen Bandbreite und Bitrate flexibel eingestellt werden. Hier sind Bandbreiten von 125 kHz, 250 kHz und 500 kHz möglich sowie Bitraten von 37,5 kbit/s bis herunter zu 290 bit/s. Mit den hohen Spreizfaktoren lassen sich bei den nie­drigeren Bitraten Distanzen von mehr als 15 km überbrücken. Ein Übertragungskanal für einen Endknoten wird im Wesentlichen durch die eingestellte Frequenz und den Spreizfaktor charakterisiert. Optionen für Frequenzsprungverfahren und adaptive Frequenzselektion zur Erhöhung der Robustheit einer Funkverbindung können ebenfalls realisiert werden.

Einsatzbereich der neuen LoRa-Funktechnik ist die Sensorik, der eine moderate Bitrate genügt, die aber Daten über große Distanzen übertragen muss – beispielsweise in den Bereichen Agrarwirtschaft, Industrie, Logistik, Umwelttechnik, Verbrauchserfassung sowie Smart Cities und im Smart Home. Mit der LoRa-Funktechnik sind Funknetze möglich, die mit einer einzigen Funkzelle viele Quadratkilometer Fläche abdecken können. Pro Funkzelle sind Hunderte von Endknoten möglich, die allerdings dann auch alle in dieser Zelle harmonisiert und administriert werden müssen. Aufgrund der Orthogonalität der verwendeten Spreizsequenzen können verschiedene Nutzer auch eine Frequenz gemeinsam verwenden, solange sie ihre Daten mit unterschied­lichen Spreizsequenzen modulieren. Hiermit sind dann große Funkzellen mit Hunderten von Nutzern möglich.

Mit dem Konzentratormodul iC880A lassen sich die zentralen Knoten und Gateways für LoRa-Funknetze realisieren. Das Modul unterstützt auch die im ISM-Band genutzte GFSK- Modulation Bildquelle: © IMST
Bild 1. Mit dem Konzentratormodul iC880A lassen sich die zentralen Knoten und Gateways für LoRa-Funknetze realisieren. Das Modul unterstützt auch die im ISM-Band genutzte GFSK- Modulation.

Ein Kommunikationszentrum in der Funkzelle

Als zentraler Kommunikationsknotenpunkt im Mittelpunkt der Zelle dient ein sogenannter Konzentrator, der Teil des LoRa-Gateway ist. Er muss viele Kanäle parallel empfangen können und dabei unterschiedliche Distanzen und Datenraten handhaben. Das Konzentratormodul iC880A der Firma IMST GmbH [1] (Bild 1) ermöglicht mit einer Empfangsempfindlichkeit von bis zu –138 dBm und einer maximalen Ausgangsleistung von +20 dBm die bei LoRa möglichen großen Reichweiten. Er ist für Europa nach R&TTE zertifiziert, kann zehn Kanäle gleichzeitig empfangen und unabhängig voneinander demodulieren und bietet umfangreiche Möglichkeiten für Medienzugriff und Vernetzung. Zusätzlich zu LoRa kann der Konzentrator von IMST auch mit GFSK-Modulation arbeiten, wie er zur Zeit standardmäßig in ISM-Frequenzbändern verwendet wird. Die Sternstruktur mit einem zentralen Kommunikationspunkt in der Mitte bietet für die Verwaltung von Endknoten große Vorteile. Ist bei verteilten Netzen ein großer Protokoll-Überhang zur Administration erforderlich, so kann dieser bei einer zentralen Steuerung und direkten Erreichbarkeit des Konzentrators durch die Endknoten reduziert werden. Dies führt zu einer optimalen Ausnutzung der verfügbaren Funk­kapazität und zu einem deutlich geringeren Leistungsbedarf der Endknoten – ein großer Vorteil für Funksensoren, die häufig batteriebetrieben sind. Natürlich muss die Software mit dem Protokollstapel die neuen Möglichkeiten der LoRa-Funktechnik in geeigneter Art und Weise abbilden. Der Medien­zugriff muss im Hinblick auf maximale Kapazität optimiert werden und die Zahl der Kollisionen auf dem Funkkanal bzw. die kumulative Interferenz der Nutzer müssen für störungsfreien Empfang minimiert werden. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass Ausgangsleistung und Spreizfaktoren jeweils an die aktuelle Funksituation optimal angepasst und gemäß der geforderten Bitraten und der Entfernung des Knotens vom Sternmittelpunkt spezifisch eingestellt werden – ADR: Adaptive Data Rate.

Um die regulatorischen Randbedingungen optimal zu erfüllen, werden Verfahren zu adaptivem Frequenzwechsel (AFA: Adaptive Frequency Agility) sowie zur Kanalbeobachtung (LBT: Listen Be­fore Talk) angedacht. Hiermit könnten derzeitige Limitierungen des Tastverhältnisses, die aus der Regulierung herrühren, zukünftig umgangen werden.

Typischer Aufbau eines LoRa-Netzes Bildquelle: © IMST
Bild 2. Das LoRa-Gateway – mit dem Konzentrator als wichtigstem Bestandteil – dient als zentrale Basisstation einer LoRa-Funkzelle. Je nach Applikation und Entfernung vom Gateway lassen sich Spreiz­faktor (SF) und Frequenz (f) einstellen.

Ergänzung für IoT zum Mobilfunk

Netze mit LoRa-Funktechnik werden in Zukunft die Mobilfunknetze ergänzen. Unternehmen haben die Möglichkeit, eigene Netze aufzubauen oder ein Netz z.B. eines Mobilfunkbetreibers zu nutzen. In beiden Fälle entstehen dem Nutzer nur relativ kleine Kosten für die Übertragung von Daten, die Endknoten und auch die Konzentratoren sind preisgünstig und Distanzen in der Größenordnung heutiger Mobilfunkzellen können leicht überbrückt werden. Bild 2 zeigt den typischen Aufbau eines LoRa-Funknetzes. Gateways, die mit dem Konzentrator aufgebaut werden, ermöglichen die Anbindung an das Internet, entweder per Mobilfunk, DSL, Ethernet oder WLAN. Die LoRa-Funktechnik trifft auch bei großen Telekomunikationsunternehmen auf Interesse. Hier gibt es erste Implementierungen der LoRa-Funktechnik und des Zugangsnetzes zusammen mit der benötigten IT-Infrastruktur. Die Kompatibilität der Systeme untereinander wird durch ein Harmonisierungsgremium namens „LoRa Alliance“ (www.lora-alliance.org [2]) erarbeitet. In diesem Gremium arbeiten Halbleiterfirmen, Hersteller von Funkprodukten, Software-Firmen, Mobilfunknetzbetreiber, IT-Firmen und Testhäuser zusammen, um einen harmonisierten LoRa-Standard zu verabschieden.

Die IMST GmbH bietet in ihrer LoRa-Testabteilung bereits die Prüfung von Klasse-A-Geräten (bidirektionale Endgeräte) an – mit Testszenarien wie OTA (Over the Air) Activation, Activation by Personalization sowie Frequency Hopping und vielen anderen Anforderungen aus der LoRaWAN-Spezifikation. Tests für die Geräteklassen B (bidirektionale Endgeräte mit geregelten Empfangs-Slots) und C (bidirektionale Endgeräte mit permanentem Empfang) kommen später hinzu. Sofern während der Testprozedur Fehler oder Unzulänglichkeiten identifiziert werden, können diese neben dem Prüfungsverfahren behoben werden.

Heinz Syrzisko (IMST GmbH)