LoRa verstehen: Funk für kleine Daten über große Distanzen

WLAN ist schnell, aber nach ein paar Dutzend Metern ist Schluss. Mobilfunk reicht weit, braucht aber ein Abo und eine Menge Energie. Für viele Sensoren und Kleinstgeräte ist beides unpassend: Sie müssen nur wenige Bytes schicken, etwa eine Temperatur, einen Füllstand oder eine Position, dafür aber über viele hundert Meter oder Kilometer und mit Batterien, die möglichst lange halten. Genau in diese Lücke passt LoRa.

Was LoRa eigentlich ist

LoRa steht für „Long Range“ und ist ein Modulationsverfahren für Funkübertragung. Es basiert auf Chirp Spread Spectrum (CSS): Das Signal ist ein sogenannter Chirp, also ein Frequenzdurchlauf, der innerhalb der genutzten Bandbreite einmal von unten nach oben (oder umgekehrt) „gleitet“. Die Daten stecken darin, wie dieser Durchlauf zeitlich verschoben ist. Der Vorteil dieses Verfahrens: Der Empfänger kann ein Signal noch erkennen, wenn es schwächer ist als das Rauschen. Das ist der Grund für die große Reichweite bei kleiner Sendeleistung. Der Preis dafür ist eine niedrige Datenrate.

Wichtig ist die Abgrenzung der Begriffe. LoRa ist nur die Funkschicht, also die Art, wie Bits in Funksignale verwandelt werden. LoRaWAN ist ein darüberliegendes Netzwerkprotokoll, das die LoRa Alliance spezifiziert und das regelt, wie Geräte, Gateways und Server zusammenarbeiten. Wer zwei Platinen direkt miteinander funken lässt, nutzt reines LoRa, ohne LoRaWAN. Wer sich über ein Gateway in ein Netzwerk wie The Things Network einbucht, nutzt LoRaWAN.

Die wichtigsten Stellschrauben

Drei Parameter bestimmen, wie sich eine LoRa-Verbindung verhält. Der Spreading Factor (SF) liegt zwischen 7 und 12. Ein höherer Wert bedeutet: Das Signal wird stärker „gestreckt“, die Verbindung ist robuster und reicht weiter, aber die Übertragung dauert deutlich länger und die Datenrate sinkt. Die Bandbreite beträgt bei LoRaWAN 125, 250 oder 500 kHz. Bei gleichem Spreading Factor verdoppelt sich die Datenrate, wenn sich die Bandbreite verdoppelt. Dazu kommt die Coding Rate, also wie viel Fehlerkorrektur mitgesendet wird. Alle Geräte, die miteinander sprechen sollen, müssen dieselben Einstellungen verwenden, sonst hören sie sich schlicht nicht.

Wie stark sich das auswirkt, zeigt die Datenratentabelle für Europa: Die niedrigste vorgeschriebene Stufe (DR0) nutzt SF12 bei 125 kHz und kommt auf rund 250 Bit pro Sekunde, die höchste LoRa-Stufe bei 125 kHz (DR5) nutzt SF7 und kommt auf etwa 5.470 Bit pro Sekunde. Das ist kein Netzwerk für Fotos oder Audio, sondern für kurze Nachrichten.

Das Frequenzband in Europa

In Europa arbeitet LoRa im Bereich um 868 MHz, genauer im Band von 863 bis 870 MHz. Dieses Band ist ein Frequenzbereich für Kurzstreckengeräte, den man in der Regel ohne eigene Frequenzzuteilung nutzen darf, allerdings unter Auflagen. Die wichtigste Auflage ist der Duty Cycle, also die erlaubte Sendezeit pro Stunde. Laut den Regional Parameters, wie sie The Things Network dokumentiert, gilt je nach Teilband unter anderem: 1 % für 865 bis 868 MHz sowie 868 bis 868,6 MHz, 0,1 % für 863 bis 865 MHz und 868,7 bis 869,2 MHz und 10 % für 869,4 bis 869,65 MHz. Dort ist auch eine höhere Leistung von 500 mW ERP erlaubt, in den meisten anderen Teilbändern liegt die Grenze bei 25 mW ERP.

Was bedeutet 1 % praktisch? Eine Stunde hat 3.600 Sekunden, 1 % davon sind 36 Sekunden. Ein Gerät darf also pro Stunde insgesamt nur 36 Sekunden senden. Bei hohem Spreading Factor kann ein einzelnes Paket schon über eine Sekunde dauern, das begrenzt die Sendehäufigkeit spürbar. Ein Gerät, das „alle paar Sekunden“ senden soll, ist mit LoRa auf diesem Band schlicht nicht zu betreiben. Für LoRaWAN schreiben die Regional Parameters außerdem eine maximale Sendeleistung von 16 dBm EIRP (40 mW) vor. Wer in Deutschland sendet, sollte die geltenden Regeln der Bundesnetzagentur prüfen, bevor er ein eigenes Gerät in Betrieb nimmt.

Die drei Standardkanäle

Jedes LoRaWAN-Endgerät in Europa muss drei Standardkanäle beherrschen, auf denen es sich beim Netzwerk anmeldet: 868,1 MHz, 868,3 MHz und 868,5 MHz, jeweils mit 125 kHz Bandbreite. Weitere Kanäle werden vom Netzwerk dem Gerät mitgeteilt. Wer dagegen mit eigenen Platinen ohne LoRaWAN arbeitet, wählt Frequenz, Spreading Factor und Bandbreite selbst, bleibt aber an dieselben Regeln gebunden.

Was LoRa nicht kann

Eine ehrliche Einordnung gehört dazu. LoRa ist keine Verbindung für große Datenmengen, die Latenz ist hoch und durch den Duty Cycle ist auch die Häufigkeit begrenzt. Reines LoRa bringt von sich aus keine Verschlüsselung mit; wer Daten schützen will, muss sie selbst verschlüsseln oder ein Protokoll wie LoRaWAN einsetzen, das Verschlüsselung vorsieht. Und die „Reichweite“ in Datenblättern ist ein Bestwert unter günstigen Bedingungen, meist mit Sichtverbindung. Gebäude, Hügel und Bäume verkürzen sie stark. Eine Zahl wie „Kilometer“ ist ein Ziel, das man vor Ort mit einem Test überprüfen sollte.

Wofür LoRa gut ist

Typische Einsatzfelder sind Sensorik und Telemetrie: Wetterstationen, Bodenfeuchte im Garten, Füllstände, Tracker oder Türkontakte, also alles, was kleine Datenpakete selten sendet und lange mit einer Batterie laufen soll. Dazu kommen Mesh-Funknetze wie Meshtastic, bei denen Geräte Textnachrichten untereinander weiterreichen, ohne Mobilfunknetz. Genau diese Kombination aus wenig Energie, kleinen Nachrichten und großer Reichweite ist die Stärke der Technik.

Fazit

LoRa tauscht Geschwindigkeit gegen Reichweite und Energiesparsamkeit. Wer das einmal verinnerlicht hat, versteht auch alle Regeln drumherum: den Spreading Factor als Hebel zwischen Reichweite und Dauer, den Duty Cycle als Obergrenze für die Sendezeit und den Unterschied zwischen LoRa als Funkschicht und LoRaWAN als Netzwerk. Im nächsten Beitrag wird das praktisch: mit einem Heltec-ESP32-LoRa-Modul.