Wireless IoT Hohe Reichweite mit LoRa im 2,4-GHz-Band

Sendemast am Horizont auf Berggipfel über den Wolken.
Funkübertragung mit 2,4 GHz über große Distanz.

Bis zu 10 km Reichweite im lizenzfreien 2,4-GHz-Band ermöglicht das neue Funkmodul iM282A der IMST GmbH. Es nutzt dafür die LoRa-Modulation mit Frequenzspreizung und eignet sich sogar für den Batteriebetrieb.

In der Praxis sind bei Funkanwendungen oftmals hohe Reichweiten sowohl im Außen- als auch im Innenbereich von Interesse. In Europa werden häufig solche Anwendungen in den lizenzfreien Sub-GHz-Frequenzbereichen bei 433 MHz oder 868 MHz realisiert. Da in diesen Frequenzbändern aufgrund der niedrigen Frequenzen die geringeren Dämpfungseigenschaften vorherrschen, können bei vergleichbaren Sendeleistungen größere Reichweiten als im 2,4-GHz-Frequenzband erzielt werden. Diesem Vorteil stehen aber zwei Nachteile dieser Frequenzbänder gegenüber:

  • Ein gesetzlich einzuhaltender Tastgrad, der die Sendedauer z. B. bei einer gesetzlichen Beschränkung auf 1 Prozent (das sind 36 s pro Stunde) limitiert, und
  • die Tatsache, dass die Sub-GHz-Frequenzbänder weltweit nicht harmonisiert sind.

Gerade Letzteres kann bei der notwendigen Funkzulassung außerhalb von Europa zu enormen Kosten führen.

Speziell Anwendungen aus der Hausautomatisierung – wie Steuerungen für Licht, Heizung, Schließsysteme, Klimaanlagen und Verbrauchszähler – werden derzeit häufig aufgrund der Anforderung an die größere Reichweite im Sub-GHz-Frequenzbereich entwickelt. Die Einschränkung durch den Tastgrad wird in Kauf genommen, da die Anwendung per se nur selten Daten überträgt oder die Sendehäufigkeit der meist batteriebetriebenen Geräte durch die Batterie selbst eingeschränkt ist.

Somit bleiben als Nachteil die Kosten für die Zulassung eines Funkprodukts. Der Sub-GHz-Frequenzbereich ist weltweit eher ein Flickenteppich, mit von Region zu Region abweichenden Frequenzbereichen und gesetzlichen Anforderungen. Das 2,4-GHz-Band dagegen ist weltweit harmonisiert und bietet sich hinsichtlich der Zulassung als günstigere Alternative an. Darüber hinaus unterliegt eine Anwendung im 2,4-GHz-Frequenzbereich keinen Tastgrad-Restriktionen.

Populäre Funktechniken, die in diesem Frequenzband arbeiten, sind WLAN, Bluetooth oder Zigbee. Sie erzielen aber ohne zusätzliche Verstärkung lediglich Reichweiten von wenigen Dutzend Metern. Höhere Anforderungen an die Reichweite erfordern aufwendige und somit teure Funknetzwerke mit mehreren Basisstationen, Relais-Knoten oder Leistungsverstärkern. Ein einfaches und kostengünstiges Funksystem mit hoher Reichweite im 2,4-GHz-Frequenzband stand bisher nicht zur Verfügung.

10 km Reichweite bei 2,4 GHz

Mit dem Funk-Transceiver-Modul iM282A (Bild 1) erschließt die IMST GmbH das 2,4-GHz-Band für große Reichweiten. Bis zu 10 km (Sichtverbindung) sind mit der LoRa-Modulation (Frequenzspreizung) ohne zusätzliche Leistungsverstärker möglich.

Das Funkmodul iM282A basiert auf dem neuen Funk-Transceiver-IC SX1280 von Semtech [1] und verfügt über einen Mikrocontroller Cortex M3. Das Transceiver-IC enthält drei Funk-Modems. Es kann außer der LoRa-Modulation auch die Modulationsarten (G)FSK (Gaussian Frequency Shift Keying) und (G)MSK (Gaussian Minimum Shift Keying) sowie FLRC (Fast Long Range Communication) nutzen. FLRC basiert auf einer kohärenten Demodulation von GMSK in Kombination mit Vorwärts-Fehlerkorrektur- und Verschachtelungstechniken und ermöglicht Datenraten bis 1,3 Mbit/s mit 8 bis 10 dB höherer Empfängerempfindlichkeit (Bild 2). In Abhängigkeit von der zu erzielenden Reichweite können mit dem Transceiver-IC Rohdatenraten von 476 bit/s bis zu 2,3 Mbit/s realisiert werden [1].

Mit dem Funkmodul iM282A steht nun auch die LoRa-Funktechnik von Semtech im 2,4-GHz-Band zur Verfügung. Die LoRa-Modulation ist Basis des LoRaWAN-Standards, der lediglich im Sub-GHz-Frequenzbereich spezifiziert wurde und von der LoRa Alliance, in der sich mittlerweile mehrere Hundert namhafte Unternehmen zusammengefunden haben, ständig weiterentwickelt wird.

Eine wesentliche Eigenschaft der für LoRa eingesetzten Modulation ist die Entkopplung von Bandbreite und Bitrate. Mittels eines Spreizfaktors (SF) für die Bandspreizung kann das Verhältnis zwischen Bandbreite und Bitrate eingestellt werden. Der Transceiver SX1280 unterstützt für die LoRa-Modulation, ähnlich wie seine Sub-GHz-Verwandten SX127x, die Spreizfaktoren SF5 bis SF12. Zudem stehen vier einstellbare Bandbreiten 203, 406, 812 und 1625 kHz zur Verfügung. Damit ergeben sich für die LoRa-Modulation 32 unterschiedliche Arbeitspunkte (Bild 3).

Für alle Betriebsarten können unterschiedliche Einstellungen für die Funkschnittstelle, z. B. Bandbreite, Spreizfaktor, Fehlerkorrektur, vorgenommen werden, sodass in Summe eine Vielzahl an Betriebsarten möglich sind (Bild 2).
Bei der LoRa-Modulation werden die hohen Reichweiten durch die Verwendung von kleinen Datenraten und hohen Spreizfaktoren erzielt. Durch beides wird die Empfindlichkeit des Empfängers erhöht. Die Empfindlichkeit eines Empfängers ist neben der verwendeten Sendeleistung des Senders eine wesentliche Kenngröße, um hohe Reichweiten zu erzielen. Sie bezeichnet die untere Schwelle der Eingangsleistung, bei der noch ein tolerierbarer Empfang mit geringer Paketfehlerrate möglich ist.

Die Empfängerempfindlichkeit vieler Funktechniken im 2,4-GHz-Frequenzband liegt in der Größenordnung um –100 dBm, so z. B. für Bluetooth bei ca. –90 dBm und für Zigbee bei –100 dBm. Gelingt es, die Empfängerempfindlichkeit zu steigern, so sind bei gleicher Sendeleistung größere Distanzen überwindbar.

Das Funkmodul iM282A erzielt einen Empfindlichkeitswert von –130 dBm, ein deutlich besser Wert als bei den oben genannten Funktechniken. Dabei ist fairerweise anzumerken, dass bei einem solchen Empfindlichkeitswert nur noch eine Rohdatenrate von 476 bit/s zur Verfügung steht und somit der Vergleich nur bedingt zutreffend ist. Wesentlicher als eine hohe Datenrate ist in den eingangs erwähnten Steuerungsanwendungen aber, dass mit dem Funkmodul iM282A im 2,4-GHz-Frequenzband mit einer robusten Modulation Daten über mehrere Kilometer zuverlässig per Funk übertragen werden können – kostengünstig und im Batteriebetrieb.

Starter-Kit für den Aufbau einer Funkstrecke

Mit dem Starter Kit SK-iM282A (Bild 4) bietet IMST ein Paket bestehend aus zwei Funkeinheiten – Funkmodul iM282A auf Adapterplatinen – inklusive Antennen, Batterien und USB-Kabeln an. Zu dem Paket gehört eine einfach zu bedienende Software »WiMOD LR Studio«, die sowohl die Konfiguration aller physikalischen Parameter erlaubt, als auch bereits einige Anwendungen zur einfachen Evaluierung beinhaltet, z. B. Remote Control, Packet Sniffer, Data Link Service und Radio Link Test. Mit letzterer kann der Anwender die möglichen Funkparameter zur Optimierung der Reichweite in der jeweiligen Zielumgebung einfach und schnell betimmen. Mit dem Starter Kit wurden in zwei Tests die in der Tabelle angegebenen Reichweitenergebnisse erzielt.

 

Literatur

[1] SX1280/SX1281 Long Range, Low Power, 2.4 GHz Transceiver with Ranging Capability. Semtech, Datenblatt, Mai 2018, www.semtech.com/uploads/documents/DS_SX1280-1_V2.2.pdf.