Wie gut ist die Funktechnologie LoRa wirklich?

LoRa steht für „Long Range“ und ist eine Funktechnologie, welche neu für das IoT (Internet of Things) entwickelt wurde. Neben der speziell grossen Funkreichweite von bis zu > 10 km wurden bei der LoRa Technologie besonders auf einen geringen Energieverbrauch und auf eine möglichst kostengünstige Implementierung geachtet. LoRa kann eigenständig als Punkt-zu-Punkt Verbindung eingesetzt aber auch in einem privaten oder öffentlichen Netzwerk wie z.B. dem LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) betrieben werden. Diese unterschiedlichen Betriebsarten machen LoRa sehr flexibel und daher ist die Technologie äusserst interessant für verschiedenste Anwendungen.



Welche Technologie steckt hinter LoRa?

LoRa nutzt die CSS (Chirp Spread Spectrum) Modulation welche ein Frequenzspreizverfahren als Modulationstechnik verwendet. Dabei werden als Symbole sogenannte Chirp-Impulse gesendet, welche über die Zeit in der Frequenz kontinuierlich ansteigen oder abfallen. Die Datenübertragung wird dann durch die zeitliche Aneinanderreihung dieser Chirp-Impulse realisiert.


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LoRa Funktechnologie


spezielle Eigenschaften

Da LoRa in den ISM Frequenzbändern (433 MHz, 868 MHz und 915 MHz) arbeitet, ist die abgestrahlte Sendeleistung begrenzt. Um nun eine grössere Funkreichweite als herkömmliche Modulationsarten wie z.B. FSK (Frequency Shift Keying) zu erreichen, wurde bei LoRa die Empfänger-Empfindlichkeit deutlich verbessert. So kann der LoRa Empfänger ein Nutzsignal bis 20 dB unterhalb vom Rauschpegel noch immer erfolgreich empfangen und decodieren, was eine Empfänger-Empfindlichkeit von maximal -149 dBm ergibt. Im Vergleich zur maximalen FSK Empfindlichkeit von ca. –125 dBm bis -130 dBm, bietet LoRa somit eine deutliche Verbesserung. Beim FSK Empfänger kann das Signal nur erfolgreich decodiert werden, wenn das Nutzsignal ca. 10 dB oder mehr über dem Rauschpegel liegt.


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Dank der Eigenschaft, dass LoRa ein Nutzsignal bis 20 dB unterhalb vom Rauschpegel noch erfolgreich empfangen kann, ergibt sich im Vergleich zu FSK auch eine deutlich bessere Robustheit gegenüber Funkstörungen. FSK-Systeme funktionieren nur korrekt, wenn das Störsignal mindestens 10 dB schwächer als das Nutzsignal ist. LoRa Systeme können im besten Fall das Nutzsignal auch noch empfangen, wenn das Störsignal 20 dB stärker als das Nutzsignal ist.


Einschränkungen

Aus der oberen Grafik kann man entnehmen, dass mit LoRa ca. 30 dB schwächere Signale als mit FSK empfangen werden können. Es gibt jedoch zwei Einschränkungen, die diesen grossen Unterschied etwas relativieren.

  • Erstens ist die LoRa Modulation breitbandiger als die FSK Modulation, wodurch der Rauschpegel beim LoRa Empfänger generell höher als beim FSK Empfänger liegt. Genau gesagt, eine Verdoppelung der Bandbreite erhöht den Rauschpegel um 3 dB.
  • Zweitens kann LoRa nur bei sehr langsamen Datenraten von ≤ 0.5 kBit/s ein Nutzsignal bis 20 dB unterhalb des Rauschpegels empfangen. Sobald die Datenrate erhöht wird, steigt entweder der negative Signal-Rauschabstand immer weiter gegen Null oder die Bandbreite muss noch weiter vergrössert werden, was den Rauschpegel wiederum anhebt. 


Vergleichsmessung zwischen LoRa und FSK

Um herauszufinden wie gut LoRa wirklich ist, soll ein direkter Vergleich zwischen LoRa und FSK durchgeführt werden. Dazu werden unsere bisher verwendeten standard FSK Transceiver (CC1020 und CC1101) mit den Daten vom LoRa/FSK Transceiver SX1261 verglichen.


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Gemäss den Angaben aus den Datenblättern wird mit LoRa mindestens eine um 24dB bessere maximale Empfindlichkeit als mit dem besten FSK Transceiver (SX1261) erreicht. Gegenüber den alten FSK Transceivern (CC1020 und CC1101) ist die maximale Empfindlichkeit sogar 31 bzw. 33 dB besser. Da man davon ausgehen kann, dass pro 10 dB mehr Empfindlichkeit die Funkreichweite verdoppelt werden kann, sollte mit LoRa eine 4- bis 8-fache Funkreichweite im Vergleich mit FSK möglich sein. 

Es fällt jedoch auch auf, dass die maximale LoRa Empfindlichkeit mit einer extrem langsamen Datenrate von nur 0.02 kBit/s erreicht wird. Um nun einen direkten aussagekräftigen Vergleich zwischen den verschiedenen Transceivern zu erhalten, wird die Empfindlichkeit bei allen Transceivern bei derselben Datenrate bestimmt. Gemäss Herstellerangaben von Semtech müsste LoRa bei derselben Datenrate wie bei FSK, ungefähr 7 bis 10 dB mehr Empfindlichkeit erreichen.

Die eigenen Messungen haben folgende Resultate ergeben:


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Der SX1261 Transceiver mit der LoRa Modulation erreicht 4 – 6 dB mehr Empfindlichkeit als mit der FSK Modulation. Im Vergleich zum CC1020 wird 8 - 11 dB und im Vergleich zum CC1101 wird 13 - 17 dB mehr Empfindlichkeit erreicht. Es fällt auf, desto tiefer die Datenrate gewählt wird, je mehr Empfindlichkeitsgewinn mit LoRa erzielt werden kann.

Eine andere Betrachtungsweise zeigt das Energiesparpotential von LoRa. Um dieselbe Empfindlichkeit wie mit FSK zu erreichen kann mit LoRa ungefähr die 4-fache Datenrate verwendet werden. Somit wird dasselbe Funktelegramm 4 x kürzer und der Energieverbrauch sinkt ebenfalls um Faktor 4.


Fazit:

Wie bei allen Funktransceivern wird die maximale LoRa Empfindlichkeit von -149 dBm nur bei der kleinsten Datenrate erreicht. Diese Datenrate beträgt bei LoRa nur ca. 0.02 kBit/s und ist daher für viele Anwendungen unbrauchbar. Können jedoch solche tiefen Datenraten verwendet werden, ist theoretisch die 4-fache Funkreichweite im Vergleich zu modernen FSK Transceivern möglich.

Wird die LoRa Datenrate auf 1.2 kBit/s bis 10 kBit/s erhöht, erreicht LoRa noch ca. 4-6 dB mehr Empfindlichkeit gegenüber modernen FSK Transceivern. Gegenüber älteren FSK Transceivern wie der CC1101 oder CC1020, kann mit LoRa die Funkreichweite sogar verdoppelt bis verdreifacht werden.

Eine interessante Energiesparmöglichkeit gibt es bei Anwendungen, bei denen die aktuelle FSK Empfindlichkeit ausreichend war. Soll mit LoRa dieselbe Empfindlichkeit erreicht werden, kann die Datenrate gegenüber FSK um Faktor 4 erhöht werden, wodurch der Energieverbrauch ebenfalls um Faktor 4 reduziert werden kann.

Für uns stellt die LoRa Technologie eine interessante Alternative bei Anwendungen mit Datenraten bis 10 kBit/s dar, da im Vergleich zu den älteren Transceivern die Funkreichweite massiv erhöht werden kann. Besonders interessant ist für uns auch die Möglichkeit der Anbindung an das LoRaWAN Netzwerk, da so IoT Anwendungen praktisch standortunabhängig mit dem Internet verbunden werden können.

Mit unserem LoRa Modul „TRX433-70“ sind wir für zukünftige innovative LoRa Projekt bereit. Bei Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung.

 


Ihre Ansprechperson

F. Kugler
Verkauf & Entwicklung
Elektroingenieur FH (BSc in Elektrotechnik)

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F. Kugler