LoRa
LoRa ist eine Funktechnik, die kleine Datenmengen extrem weit und sehr stromsparend über viele Kilometer sendet.
Links ein Sensor, rechts ein weit entferntes Gateway (ein Funk-Empfänger). LoRa ist reine Funktechnik, die kleine Datenmengen sehr weit bringt.
In 30 Sekunden
LoRa ist eine Funktechnik für sehr grosse Reichweiten bei sehr kleinen Datenmengen. Sie sendet eine Nachricht als langsamen, weit hörbaren Funk-Pfeifton, einen sogenannten Chirp, der auch bei sehr schwachem Signal noch verstanden wird. Eine typische LoRa-Nachricht ist dabei nur wenige Zeichen lang, etwa ein Messwert wie „Temperatur 7 °C", mehr nicht. So überbrückt ein einzelner Sender in der Stadt mehrere Kilometer, auf freiem Feld mit Sichtverbindung sogar über 15. Und das mit so wenig Strom, dass eine Batterie oft 5 bis 10 Jahre hält. Für Unternehmen heisst das: viele Sensoren über ein grosses Gelände vernetzen, ohne Kabel, ohne Mobilfunkvertrag und ohne jahrelangen Batteriewechsel. Wichtig: LoRa ist nur die reine Funkübertragung (die unterste Schicht), das eigentliche Netzwerk mit Servern und Anmeldung heisst LoRaWAN und sitzt darüber.
Stell dir vor, du willst jemandem etwas über ein grosses, lautes Festgelände hinweg zurufen. Wenn du schnell und normal sprichst, versteht dich nur, wer direkt neben dir steht. Sprichst du aber ganz langsam und ziehst jedes Wort in die Länge, dann dringt deine Stimme viel weiter durch den Lärm, sogar bis ans andere Ende des Platzes. Genau das macht LoRa mit einem Funksignal: Es zieht jede Nachricht als langsam gleitenden Pfeifton in die Länge. Je langsamer du redest, desto weiter reicht deine Stimme, aber desto weniger schaffst du in derselben Zeit zu sagen. Diesen Regler nennt man bei LoRa den Spreizfaktor. Auf der schnellen Stufe (genannt SF7) redest du zügig und kommst nicht so weit. Auf der langsamsten Stufe (SF12) dehnst du jedes Wort maximal und wirst noch kilometerweit gehört, brauchst aber viel länger für denselben Satz.
Wo trifft man LoRa an?
Zählerablesung (Smart Metering)
Wasser-, Strom- und Wärmezähler in Kellern senden ihren Stand einmal am Tag per LoRa nach draussen, ohne dass jemand die Wohnung betreten muss. Die kleine Datenmenge und dass das Signal auch durch dicke Kellerwände nach draussen kommt, passen perfekt.
Landwirtschaft
Bodenfeuchte-Sensoren auf einem weit entfernten Acker melden ihre Messwerte über mehrere Kilometer zum Hof. Auf freiem Feld ohne Hindernisse spielt LoRa seine grosse Reichweite voll aus.
Smart City
Füllstandsmelder in Abfallcontainern, Parkplatz-Sensoren oder Strassenlaternen einer Stadt schicken kleine Statusmeldungen über LoRa an eine zentrale Stelle, quer über mehrere Stadtviertel.
Gebäude- und Anlagenüberwachung
Temperatur-, Feuchte- oder Türsensoren in grossen Liegenschaften funken ihre Werte auch aus tiefen Kellern und dicken Betonbauten noch nach aussen, wo normales WLAN längst nicht mehr durchkommt.
Asset-Tracking
Container, Paletten oder Maschinen auf einem grossen Betriebsgelände oder Hafen melden ihren groben Standort. Es genügt, selten eine winzige Positionsmeldung zu senden, dafür jahrelang mit einer Batterie.
Umwelt- und Katastrophenschutz
Pegelmesser an Flüssen oder Wetterstationen in abgelegenen Tälern senden ihre Werte auch dort, wo es keinen Handy-Empfang und keinen Strom gibt.
Gut geeignet für
- Wenn du sehr grosse Reichweiten brauchst, weil ein Sender in der Stadt mehrere Kilometer und auf freiem Feld mit Sichtverbindung über 15 Kilometer überbrückt.
- Wenn Geräte jahrelang mit einer Batterie laufen müssen, weil LoRa extrem stromsparend ist und eine Batterie oft 5 bis 10 Jahre hält.
- Wenn nur kleine Datenmengen anfallen, etwa ein Messwert oder ein Status, weil LoRa genau dafür gebaut ist.
- Wenn Signale durch Wände und Keller müssen, weil das langsame, weit reichende Funkverfahren auch dicke Betonwände noch durchdringt.
- Wenn du ohne Mobilfunkvertrag und ohne Gebühren funken willst, weil LoRa lizenzfreie Frequenzen nutzt (868 MHz in Europa).
Weniger geeignet für
- Für grosse Datenmengen wie Bilder, Sprache oder Video ist LoRa zu langsam. Dafür sind WLAN oder Mobilfunk (LTE-M, NB-IoT) gemacht, also schnellere Funktechniken.
- Wenn du sofort und dauernd senden musst, weil auf den lizenzfreien Frequenzen strenge Sendezeit-Grenzen gelten (Duty-Cycle); für häufige Übertragung ist Mobilfunk (NB-IoT / LTE-M) besser geeignet.
- Wenn ein Gerät ständig und schnell Rückmeldung erwartet, weil LoRa auf seltenes, kurzes Senden ausgelegt ist; für laufende Zwei-Wege-Kommunikation in der Nähe passt Bluetooth oder WLAN besser.
- Wenn du ein fertiges Netzwerk mit Anmeldung, Sicherheit und Servern brauchst, weil LoRa allein nur die Funkübertragung ist; das komplette Netz liefert erst LoRaWAN, das auf LoRa aufsetzt.
Fakten
- Semtech (proprietäre, also firmeneigene Funk-Modulation)
- Chirp Spread Spectrum (CSS): die Nachricht wird als gleitender Funk-Pfeifton, ein Chirp, gesendet
- unter 1 Gigahertz (Sub-GHz) und lizenzfrei: 868 MHz in Europa, 915 MHz in den USA (kein Vertrag, keine Gebühren)
- mehrere Kilometer in der Stadt, über 15 Kilometer auf freiem Feld mit Sichtverbindung
- sehr klein, rund 0,3 bis 50 kbit/s (je nach Spreizfaktor)
- SF7 bis SF12: SF7 ist schnell und kurz, SF12 ist langsam und weit (Kompromiss Reichweite gegen Tempo)
- sehr niedrig, Batterielaufzeiten von oft 5 bis 10 Jahren möglich
- nur die Bitübertragung (Schicht 1, das reine Funken); das Netzwerk darüber heisst LoRaWAN
Im Detail
Chirp Spread Spectrum: die Nachricht als gleitender Pfeifton
Der Kern von LoRa ist ein besonderes Funkverfahren namens Chirp Spread Spectrum, kurz CSS. Ein Chirp ist ein Ton, dessen Höhe gleichmässig ansteigt oder abfällt, so wie ein gleitendes Pfeifen. Genau so ein gleitender Ton wird bei LoRa als Trägersignal genutzt. Die eigentliche Information steckt darin, an welcher Stelle dieser gleitende Ton beginnt.
Der grosse Vorteil: So ein Ton, der breit über die Frequenz wischt, lässt sich selbst dann noch aus dem Rauschen herausfischen, wenn das Signal extrem schwach ist. Viel schwächer, als ein normaler Funkempfänger es je verstehen könnte. Das ist der Grund für die enorme Reichweite. Das Verfahren ist eine firmeneigene Entwicklung von Semtech, deshalb steckt LoRa immer in Chips dieses Herstellers.
Der Spreizfaktor: Reichweite gegen Geschwindigkeit
Wie weit ein LoRa-Signal reicht, steuerst du über den Spreizfaktor (englisch Spreading Factor, abgekürzt SF). Er legt fest, wie stark der gleitende Ton in die Länge gezogen wird. Die Stufen reichen von SF7 bis SF12.
Auf der Stufe SF7 ist der Chirp kurz, die Übertragung schnell, aber die Reichweite kleiner. Auf der Stufe SF12 wird jeder Chirp maximal gedehnt: Das Signal reicht am weitesten und ist am robustesten, braucht aber deutlich länger und schafft in derselben Zeit weniger Daten. Jede Stufe höher etwa verdoppelt die Zeit, die ein Chirp dauert.
Deshalb gibt es keine feste Datenrate, sondern eine Spanne von rund 0,3 bis 50 kbit/s. Das ist bewusst so gering: LoRa ist nicht dafür gedacht, viel zu übertragen, sondern wenig, dafür sehr weit und sehr sparsam.
Sub-GHz und lizenzfrei: Funken ohne Vertrag
LoRa sendet im sogenannten Sub-GHz-Bereich, also auf Frequenzen unterhalb von einem Gigahertz. In Europa ist das die 868-Megahertz-Frequenz, in den USA 915 Megahertz. Diese Frequenzen sind lizenzfrei: Du brauchst keinen Vertrag mit einem Anbieter und zahlst keine Gebühren, so wie beim heimischen WLAN.
Tiefe Frequenzen haben einen physikalischen Vorteil: Sie kommen besser durch Wände und Hindernisse als hohe Frequenzen. Das ist mit ein Grund, warum LoRa selbst aus tiefen Kellern noch nach draussen funkt. Weil diese Frequenzen aber allen offenstehen, gelten strenge Regeln, wie lange ein Gerät senden darf (der sogenannte Duty-Cycle). LoRa passt gut dazu, weil es ohnehin nur selten und kurz sendet.
LoRa ist nur das Funken, LoRaWAN ist das Netzwerk
Ein häufiges Missverständnis: LoRa und LoRaWAN sind nicht dasselbe. LoRa ist ausschliesslich die physikalische Funkübertragung, also wie die einzelnen Bits durch die Luft gebracht werden. Fachlich nennt man das die unterste Schicht, die Bitübertragung.
Alles Weitere, wie sich ein Gerät anmeldet, wie die Daten verschlüsselt werden, wie mehrere Empfangsstationen (Gateways) und zentrale Server zusammenspielen, regelt erst LoRaWAN. LoRaWAN setzt auf LoRa auf und macht daraus ein vollständiges Netzwerk. Wenn dich also das komplette System interessiert, mit Anmeldung, Sicherheit und Servern, dann ist LoRaWAN das passende Thema. LoRa allein liefert nur die reichweitenstarke Funkstrecke darunter.