Low-Power-Wide-Area-Netzwerke LoRa eignet sich für LPWAN

LPWAN umfasst eine Gruppe von Funktechniken, die aufgrund ihrer großen Reichweiten flächendeckende Kommunikationsnetze bilden und gleichzeitig einzelnen Endgeräte mittels Batterien über mehrere Jahre betreiben können. Ein aussichtsreicher Kandidat ist der Funkstandard »LoRa«.

von Heinz Syrzisko, Teamleiter Wireless Solutions bei IMST.

Als aussichtsreicher Kandidat für LPWAN-Anwendungen hat der Halbleiterhersteller Semtech im Jahr 2013 die LoRa-Technik und den daraus resultierenden »LoRaWAN«-Standard veröffentlicht. Seit der Gründung der LoRa Alliance auf dem Mobile World Congress im März 2015 hat die Anzahl der Mitglieder von anfänglich 29 auf 225 Unternehmen zugenommen (Stand: 22.2.2016). Ein Grund hierfür ist sicherlich der von Analysten für die nächsten Jahre prognostizierte Zuwachs von LPWAN-Anwendungen wie IoT und M2M.

Im Vergleich zu klassischen Funksystemen im SRD-Band (868 MHz) erlaubt LoRa im Freifeld ohne Hindernisse Reichweiten von bis zu 15 km und mehr. Verantwortlich dafür ist ein Korrelationsmechanismus, der auf einem Bandspreizungsverfahren basiert. Eine wesentliche Eigenschaft von LoRa-Funkbausteinen ist die Entkopplung von Bandbreite und Bitrate. Mittels eines Spreizfaktors (SF) kann das Verhältnis zwischen Bandbreite und Bitrate flexibel eingestellt werden (Bild 1). So ergeben sich mit drei spezifizierten Bandbreiten (125 kHz, 250 kHz und 500 kHz) und sieben möglichen Spreizfaktoren (SF6 bis SF12) 21 mögliche Arbeitspunkte, die in nominalen Bitraten von 290 bit/s bis 37,5 kbit/s resultieren.

Wichtig bei der Kommunikation zweier LoRa-Funkbausteine ist aber, dass neben der identischen Einstellung der Trägerfrequenz und der Bandbreite auch der Spreizfaktor identisch sein muss. Anderenfalls können sich Sender und Empfänger nicht verstehen, da die einzelnen Spreizfaktoren zueinander orthogonal sind.

Einführung in LoRaWAN

Basierend auf diesen Eigenschaften der physikalischen Schicht von LoRa wurde im Jahr 2015 der LoRaWAN-Standard gebildet. Dieser beschreibt ganze Kommunikationssysteme, die aus mehreren sternförmigen Zellen bestehen können, deren Mittelpunkte jeweils ein Gateway bildet. Aufgrund der hohen Funkreichweite können einzelne Zellen mehrere Quadratkilometer abdecken und hunderte und mehr Endknoten unterstützen.

Da die Topologie sternförmig ist, lässt sich der Protokollüberhang (in Form einer einfachen Netzwerkschicht) klein halten und die Systemkomplexität in den Mittelpunkt der einzelnen Sterne, die Gateways, verschieben. Dadurch lassen sich einfache und kostengünstige Endgeräte realisieren, von denen momentan innerhalb des LoRaWAN-Standards drei Geräteklassen definiert sind (Class A, B, C). Class-A-Endgeräte greifen ereignisgesteuert (z. B. nach Aufnahme eines Sensorwerts) auf den Funkkanal zu, um ihre Funkpakete zu senden. Innerhalb dieser Pakete kann eine Aufforderung zur Bestätigung des Paketempfangs übertragen werden (»Confirmed«-Datenpaket). Im Anschluss an den Sendezyklus öffnet das Endgerät dazu zwei aufeinanderfolgende Zeitfenster, um die Bestätigung und weitere mögliche Daten vom zentralen Gateway/Sternmittelpunkt empfangen zu können. Class-B-Endgeräte verhalten sich wie Class-A-Geräte, können allerdings aufgrund einer zeitsynchronen »Bake« (Beacon), die von den Gateways ausgesendet wird, zusätzliche Empfangsfenster mit dem Server/Gateway auszuhandeln. Class-C-Endgeräte sind in der Regel nicht batteriebetriebene Geräte, die ständig auf Empfang konfiguriert sein können.

Als zentraler Kommunikationsknotenpunkt im Mittelpunkt der Zelle dient ein sogenannter »Konzentrator«, der Teil eines LoRa-Gateways ist. Mit einer Sensitivität von bis zu -138 dBm und einer maximalen Ausgangsleistung von 20 dBm unterstützt das Konzentratormodul iC880A (Bild 2) von IMST die bei LoRa möglichen Reichweiten in vollem Umfang.

Das Modul unterstützt zehn parallele Demodulationspfade, wobei sich die jeweiligen Trägerfrequenzen individuell einstellen lassen. Acht dieser Pfade sind für den LoRa-Empfang mit einer Bandbreite von 125 kHz vorgesehen. Sie unterstützen alle im LoRaWAN-Standard verwendeten Spreizfaktoren, ohne eine feste Zuordnung vornehmen zu müssen. Aufgrund der Orthogonalität der verwendeten Spreizsequenzen kann der iC880A dabei auch Pakete mit unterschiedlichen Spreizsequenzen gleichzeitig auf einer Frequenz empfangen. Da der Konzentrator dadurch die Daten mehrerer Endgeräte auf unterschiedlichen Frequenzen mit unterschiedlichen Spreizfaktoren und damit auch unterschiedlichen Datenraten parallel empfangen kann, lässt sich die verfügbare Funkkapazität optimal ausnutzen, und der mittlere Leistungsbedarf in den Endgeräten sinkt deutlich.

Der neunte Pfad ist ein LoRa-Sende/Empfangspfad für größere Bandbreiten (250 kHz und 500 kHz). Hier muss jedoch der zu verwendende Spreizfaktor fest konfiguriert werden. Als zehnter Pfad ist ein Sende/Empfangspfad mit konventioneller FSK-Modulation vorhanden.