Was ist LoRa?

LoRa – Long Range – spread spectrum modulation

LoRa ist eine Übertragungstechnologie welche kleine Datenpakete wie Textmeldungen, Geopositionen, Messwerte, Steuerbefehle usw. über große Reichweiten bei geringer Leistung und geringem Energieverbrauch sendet. Durch den geringen Energiebedarf und eine zusätzliche Verwendung eines Deep-Sleep-Modus kann eine lange Autonomie auch mit Akku/Batterie-Speisung erreicht werden. Im Amateurfunk liegt dieser Vorteil aber nicht auf Platz eins der Vorteilsliste da wir Knoten meist nur im Portabelbetrieb aus einem AKKU speisen werden. Auf festen Standorten (QTH) stehen meist Netzgeräte oder Solarversorgung mit modernen LiFePO4-Akkus mit großer Kapazität zur Verfügung.

Die Reichweite der LoRa-Funk-Module kann, je nach Frequenz und verwendeten Antennen, Entfernungen > 20km in ländlichen Gebieten und >5 km in der Stadt überbrücken. Ein weiterer Vorteil sind die geringen Kosten der Hardware welche sich aus der großen Stückzahl von LoRa-Modulen und der Verwendung von Standardbauteilen ergibt.

Also warum nicht auch für Anwendungen im Citizen-Science-Umfeld diese Micro-Module dazu verwenden um Anwendungen wie:

• Messwerte wie Temperatur, Luftdruck, Feuchte, Bodenstrahlung, …
• Textmeldungen Off-Grid
• GPS-Geodaten im APRS-Format (ein komprimiertes Protokoll zur Übertragung)
• Meldungen für den NOT/KAT-Fall

zu übertragen.

LoRa & Amateurfunk?

MeshCom wird ja bereits seit längerer Zeit auf Amateurfunkfrequenzen ausgerollt und hat sehr gut zum Verständnis dieser Übertragungstechnologie beigetragen. Es werden LoRa-Module mit einem 70cm (433 MHz) LoRa-Chip verwendet. Der Kernpunkt in einem gemeinsamen Netzwerk ist jedo9ch die Verwendung eines gemeinsame Protokolls welches in diesem Projekt definiert werden soll. So wird heute, nicht nur in Österreich, für die Übertragung von GPS-Paketen, ein OE-LoRa-Format verwendet. Dieses eigenständige HAM-IOT Projekt läuft auf koordinierten Frequenzen von 433.775 MHz für den Uplink zum LoRa-Access-Point und 433.900 MHz für den Downlink verwendet.

Schmalband versus Spread?

Die Übertragung mittels einfacheren Modulationen (2-FSK, 4-FSK)  konnte auf schmaler Bandbreite (< 3 kHz) erfolgen. Mit CRC und FEC konnten Fehler am Übertragungsweg zum teil bereits recht gut in den Griff bekommen werden.

Die Entwicklung geht aber immer mehr dazu über, wenn man Übertragungswege gegen Störungen robust halten möchte, die Modulation breitbandiger aufzusetzen. Das kann durch die Verwendung von mehreren Trägern mit zum teil redundanter Information erreicht werden.

LoRa verwendet eine spezielle Frequenzspreizungs-Modulation (englisch spread spectrum). Grundsätzlich kann diese Modulation auf allen Frequenzen verwendet werden, im Projekt MeshCom verwenden wir den Frequenzbereiche 433 MHz in Europa.

LoRa-Parameter:

Spreizfaktor (SF Spreading Factor)

Der Spreizfaktor bestimmt, wie viele Symbole zur Kodierung von Nutzdaten verwendet werden. Dies ist für die LoRa-Modulation von SF6 bis SF12 spezifiziert. Zum Beispiel werden bei SF7 128 Symbole verwendet, bei SF11 sind es sogar 2048 Symbole für die Kodierung der identischen Nutzdaten. SF7 ist der Standard-Spreizfaktor, der zur Datenübertragung von 64 Bytes eine Laufzeit von ca. 120 Millisekunden hat. Bei SF11 beträgt die Laufzeit sogar deutlich über eine Sekunde.

Bandbreite (BW Bandwidth)

Die Bandbreite für die LoRa-Modulation lässt sich einstellen, definiert sind unter anderem 31,25 kHz, 41,7 kHz, 62,5 kHz, 125 kHz, 250 kHz und 500 kHz. Eine kleinere Bandbreite benötigt deutlich mehr Zeit für eine Nachrichtenübertragung. Bandbreiten unter 125 kHz funktionieren nur mit spezieller LoRa-Hardware, die unter anderem einen TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) verwendet und spezielle Hardwareunterstützung dafür hat. Stabil mit allen LoRa-Chipsätzen funktioniert es ab 125 kHz. Ausschließlich die 125 kHz Bandbreite ist für das LoRaWAN-Protokoll definiert. Das RadioShuttle-Protokoll unterstützt alle Bandbreiten, empfohlen wird aber auch 125 kHz.

Wichtig ist die Bandbreite auch bei der Kanalwahl: wird beispielsweise eine Bandbreite von 125 kHz verwendet, muss der nächste freie Kanal weiter als die Bandbreite entfernt sein. Die Mittenfrequenz für MeshCom 4.0 wurde mit 433.175 MHz festgelegt.

Codierrate (CR Coding Rate)

Die Codierrate bezieht sich auf den Anteil der übertragenen Bits, die tatsächlich Informationen tragen. Die Codierungsrate kann 6/8, 4/8 usw. sein. Wenn CR also 4/8 ist, übertragen wir doppelt so viele Bits wie diejenigen, die Informationen enthalten. Wenn zu viele Interferenzen im Kanal vorhanden sind, wird empfohlen, den CR-Wert zu erhöhen. Der Anstieg des CR-Werts erhöht jedoch auch die Dauer der Übertragung.

Symbol (TS Symbols)

LoRa eine Chirp-Spread-Spectrum-Modulation. Die übertragenen Daten, bei denen es sich um ein Symbol handelt, werden durch ein Chirp-Signal mit einem Frequenzbereich von -bis dargestellt. Bei der LoRa-Modulation können wir das Symbol konfigurieren, indem wir die Parameter Spreading Factor und Bandwidth verändern. Gemäß dem Application Note Semtech AN1200.22 benötigt ein Symbol eine Sekunde für die Übertragung, was eine Funktion der Bandbreite und des Spreading Factors ist und mit der folgenden Gleichung dargestellt werden kann:

Abb. Übersicht Zusammenhang SF, BW und Bitrate

LoRa Bitraten Berechnung: https://unsigned.io/understanding-lora-parameters/

LoRa-HF-Parameter

RSSI und SNR

Bei der drahtlosen Kommunikation benötigt ein Empfänger eine gute Signalstärke und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis, um das Originalsignal vom modulierten Träger zu trennen. Dieser Abschnitt enthält Informationen zu zwei am häufigsten verwendeten Signalstärkeindikatoren – RSSI und SNR.

RSSI

RSSI (Received Signal Strength Indicator) ist eine relative Messung, mit der Sie feststellen können, ob das empfangene Signal stark genug ist, um eine gute drahtlose Verbindung vom Sender herzustellen. Da LoRaWAN bidirektionale Kommunikation unterstützt, ist RSSI ein wichtiges Maß sowohl für Gateways als auch für Endgeräte. RSSI wird in dBm gemessen und sein Wert ist eine negative Form. Je näher der RSSI-Wert bei Null liegt, desto stärker ist das empfangene Signal.
Neben der Ausgangsleistung des Senders beeinflussen vor allem folgende Faktoren den RSSI:

• Pfadverlust
• Antennengewinn
• Kabel-/Steckerverlust

SNR

SNR (Signal-to-Noise Ratio), oft als S/N geschrieben, ist das Verhältnis der empfangenen Signalleistung zum Grundrauschen. SNR wird üblicherweise verwendet, um die Qualität des empfangenen Signals zu bestimmen.
Der SNR kann mit der folgenden Formel berechnet werden und wird häufig in Dezibel (dB) ausgedrückt:

SNR (dB) = Preceived_signal (dBm) – Pnoise (dBm)

Wenn der RSSI über dem Grundrauschen liegt, kann der Empfänger das Signal leicht demodulieren.