Schwerpunkte

Funknetzwerk für Sensoren

Minimale Stromaufnahme bei hoher Reichweite

13. Mai 2021, 09:00 Uhr   |  Von Michael Fink

Minimale Stromaufnahme bei hoher Reichweite
© Shutterstock

Für Funksensoren wird eine Kommunikationstechnik benötigt, die einen Batteriebetrieb über viele Jahre zulässt. Der LoRaWAN-Standard erlaubt mehrere Modi zum Energiesparen und stellt Metadaten bereit, um die Betriebsweise an die aktuellen Umgebungsbedingungen anzupassen.

Die Nachfrage nach IoT-Sensoren wächst rasant. Eine der wichtigsten Anforderungen ist die Batteriestandzeit, die für viele Anwendungen über zehn Jahre hinausgeht. Die Installation und der Betrieb des Sensorsystems muss einfach und skalierbar sein. IoT-Sensoren finden sowohl in privaten und also auch in öffentlichen Netzwerken ihren Einsatz und müssen Cloud-fähig sein. Eine einfache und sichere Netzwerkverbindung ist ist ein wesentlicher Faktor. Eine große Reichweite vereinfacht den Aufbau des Netzwerks, seine Struktur und die Kosten. Manche Anwender haben auch die Anforderung, dass die Sensordaten nur in ihrem eigenen Netzwerk oder nur am Standort gespeichert werden dürfen.

LoRaWAN ist ein Protokoll für ein Funknetzwerk, welches genau für diese Anforderungen definiert wurde. Die LoRa-Alliance, in 2015 gegründet, hat den LoRaWAN-Standart definiert. Bereits 2012 kam der erste integrierte LoRa-Transceiver auf den Markt, der den Grundstein für den Erfolg des LoRaWAN-Standards legte.

LoRaWAN-Anwendungen haben mit Wasserzählern begonnen und sich auf Gaszähler, Wärmezähler, Elektrizitätszähler bis hin zu Heizkostenverteilern und Rauchmeldern erweitert. Inzwischen sind weitere LoRaWAN-Applikationen hinzugekommen, im Bereich Transport und Logistik, Smart Cities und Agrarwirtschaft, Warenwirtschaft sowie Lokalisierung und Tracking.

LoRaWAN nutzt LoRa-Funktechnik

LoRa steht für »Long-Range«. Es basiert auf einem Modulationsverfahren, das eine robuste Übertragung mit hohen Reichweiten ermöglicht: CSS (Chirp Spread Spectrum) – Frequenzspreizung mit Chirp-Impulsen. Dieses Modulationsverfahren ist nicht neu, es wurde jedoch erst für LoRa in einen Standard-Funk-Transceiver-IC integriert.

Mit drei Parametern legt ein Entwickler die LoRa-Übertragung fest: Spreizfaktor, Bandbreite und Codingrate. Mit den sogenannten Spreizfaktoren werden die unterschiedlichen Datenraten und Empfindlichkeiten ausgewählt. LoRa arbeitet mit hohen Bandbreiten, das hat den Nebeneffekt, dass selbst bei sich schnell bewegenden Sensoren kein Dopplereffekt auftritt, somit ist die Technik auch in Fahrzeugen einsetzbar.

In Europa hat das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI, European Telecommunications Standards Institute) Regeln zur Frequenznutzung im SRD-Band definiert, die auch für LoRa die Bandbreite bestimmen. Den meisten Funkübertragungen steht die Bandbreite von 125 kHz zur Verfügung. Einen LoRa-Funkkanal kann man bei 250 kHz betreiben. Dadurch liegt die Datenrate zwischen 5 kbit/s und circa 300 bit/s.

Baustein für Gateways

Die Spreizfaktoren sind orthogonal, das heißt: in einem Kanal können mehrere Datenströme oder Pakete übertragen werden, wenn diese sich im Spreizfaktor bzw. in der Datenrate unterscheiden. Diese Eigenschaft wird im LoRaWAN-Gateway genutzt, für das Semtech einen speziellen Konzentrator-IC (SX1301 [1]) für den Funkteil entwickelt hat.

Der Konzentrator-IC enthält zwei I/Q-Funk-Transceiver – wie sie in den Transceiver-ICs SX1255/57 integriert sind – und erkennt automatisch, auf welchem Kanal gesendet wird. Er kann somit jedes LoRa-Datenpaket empfangen, egal auf welchem Kanal und mit welcher Datenrate gesendet wird. Mit den zwei Funk-Transceivern lässt sich eine Bandbreite von 2 MHz erreichen, zehn Kanäle im SRD-Band (Bild 1). Soll ein größerer Frequenzbereich empfangen werden, muss ein Transceiver mit noch größerer Bandbreite verwendet werden.

LoRaWANs für Europa: neun Kanäle mit einer Datenrate von 240 bit/s bis 5,5 kbit/s, ein LoRa-Kanal mit hoher Datenrate
© Semtech

Bild 1. Beispiel für die Kanalzuordnung eines LoRaWANs für Europa: neun Kanäle mit einer Datenrate von 240 bit/s bis 5,5 kbit/s, ein LoRa-Kanal mit hoher Datenrate von 11 kbit/s und ein GFSK-Kanal (Gaussian Frequency Shift Keying), der eine Datenrate von 50 kbit/s ermöglicht. Jedes LoRaWAN-Netzwerk verwendet eine andere Kanalzuordnung.

Ein LoRaWAN-Gateway mit einem Konzentrator-IC hat acht LoRa-Demodulatoren, einen kompletten LoRa-Transceiver und einen FSK-Transceiver (Frequency Shift Keying) und kann somit zehn Datenströme parallel empfangen. Der Empfänger des Gateways sucht den verfügbaren Frequenzbereich ab. Wird ein Funksignal erkannt, kann das Datenpaket empfangen werden. Das Gateway erkennt den Kanal und die Datenrate, ob es FSK oder LoRa ist. Durch die im Konzentrator-IC integrierten Funktionen lässt sich das Gateway relativ kostengünstig realisieren – und trotz seiner einfachen Bedienung bietet das Gateway eine hohe Leistungsfähigkeit.

Auch die Software für das Gateway wurde einfach gestaltet. Der »Packet Forwarder« empfängt die Funkpakete, fügt noch zusätzliche Empfangsparameter hinzu und schickt sie über eine Netzwerkverbindung an den LoRaWAN-Netzwerk-Server (LNS). Die Funksoftware, der Packet Forwarder, ist auf den Githut-Servern unter Open-Source-Lizenz hinterlegt [4].

Aus Redundanzgründen werden für kleine LoRaWAN-Netzwerke mindestens zwei bis drei Gateways eingesetzt. Alle Gateways eines Netzwerkes haben die gleiche Einstellung. Das macht die Installation des Gateways extrem einfach und effizient.

Seite 1 von 2

1. Minimale Stromaufnahme bei hoher Reichweite
2. Hohe Reichweite dank hoher Empfindlichkeit

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Verwandte Artikel

Semtech GmbH, SEMTECH GERMANY GmbH