LoRa (Long Range) Protokoll:

Technischer Aufbau und Übertragungstechniken

Funkamateure sind traditionell daran interessiert, neue Technologien zu erforschen und zu experimentieren. LoRa bietet eine Plattform, um neue Formen der digitalen Kommunikation und Datenübertragung zu erkunden.
Projekte wie selbstgebaute LoRa-Gateways, Tracker oder Nodes bieten zahlreiche Möglichkeiten zur Erweiterung der Amateurfunkkommunikation. 

Bevor wir uns APRS bzw. LoRa-APRS genauer anschauen, vorab ein Einstieg in die zugrundeliegende Technologie:

LoRa (Long Range) ist eine Schlüsseltechnologie im Bereich des Internet der Dinge (IoT), die speziell für die energieeffiziente Übertragung kleiner Datenmengen über große Entfernungen entwickelt wurde. Mit dem LoRaWAN-Protokoll bietet LoRa eine kostengünstige, sichere und leistungsstarke Lösung, die weltweit in Smart Cities, der Landwirtschaft und der Industrie Anwendung findet. In diesem Artikel erläutern wir den technischen Aufbau von LoRa, die Übertragungstechniken sowie die Vorteile dieses Kommunikationsprotokolls für das IoT.

Was ist LoRa und wie funktioniert es?

LoRa basiert auf einer speziellen Funkmodulationstechnik, der Chirp Spread Spectrum (CSS) Modulation, die eine robuste, störungsresistente Übertragung ermöglicht. Diese Technik ist ein Schlüsselelement, das LoRa in die Lage versetzt, Daten über große Distanzen zu übertragen, ohne hohe Energieanforderungen zu stellen.

Ein typisches LoRa-Netzwerk besteht aus drei Hauptkomponenten:

1. LoRa-Endgeräte: Sensoren oder IoT-Geräte, die Daten sammeln und versenden.
   
   
2. LoRa-Gateways: Empfangseinheiten, die die Daten der Endgeräte sammeln und an einen Netzwerkserver weiterleiten.
   
   
3. Netzwerkserver: Die zentrale Einheit, die die gesammelten Daten verarbeitet und an die entsprechende Anwendung weiterleitet.

LoRaWAN – Das Netzwerkprotokoll 

LoRaWAN definiert die Regeln für die Kommunikation auf Netzwerkebene und sorgt dafür, dass IoT-Geräte effizient und sicher Daten austauschen können. LoRa selbst ist nur für die physikalische Schicht verantwortlich, während LoRaWAN die Datenübertragung und das Netzwerkmanagement regelt.

Hauptmerkmale von LoRaWAN:

• Asynchrone Kommunikation: LoRa-Endgeräte sind meist im Ruhemodus, um Energie zu sparen, und wachen nur auf, wenn sie Daten senden oder empfangen müssen.
  
  
• Sicherheitsprotokolle: LoRaWAN bietet Verschlüsselung auf Netzwerk- und Anwendungsebene, um die Sicherheit der Daten während der Übertragung zu gewährleisten.
  
  
• Klassifizierung von Endgeräten: Je nach Einsatzbereich werden die Geräte in Klasse A, Klasse B oder Klasse C unterteilt, wobei Klasse A am energieeffizientesten ist, während Klasse C eine kontinuierliche Empfangsbereitschaft bietet.

Übertragungstechniken von LoRa

Die Chirp Spread Spectrum (CSS) Modulation ist die Basis der LoRa-Technologie. Diese Technik „spreadet“ das Signal über ein breites Spektrum, was es robust gegenüber Interferenzen und Störungen macht.

Ein zentrales Konzept ist der sogenannte Spreading Factor (SF). Ein höherer SF sorgt für eine größere Reichweite, aber gleichzeitig für eine langsamere Datenübertragung. LoRa bietet Spreading Factors von SF7 bis SF12, was Flexibilität für unterschiedliche Anwendungsanforderungen bietet.

Weitere wichtige Übertragungstechniken sind:

• Adaptive Data Rate (ADR): Das LoRaWAN-Protokoll passt die Datenrate automatisch an die Entfernung zwischen dem Gerät und dem LoRa-Gateway sowie an die Netzwerkbedingungen an. Dies optimiert die Reichweite und den Energieverbrauch.
  
  
• Frequenzbänder: LoRa nutzt das lizenzfreie ISM-Band. In Europa liegt der Fokus auf dem 868-MHz-Band, während in Nordamerika hauptsächlich das 915-MHz-Band genutzt wird. Im lizenzierten Amateurfunk liegt die Frequenz im 433-MHz-Band. Da diese Frequenzen weltweit ohne Lizenzkosten verwendet werden können, ist LoRa eine sehr flexible und kostengünstige Lösung.
  
  
• Listen Before Talk (LBT): LoRa-Geräte überprüfen, ob der Kanal frei ist, bevor sie senden, um Interferenzen zu minimieren und die Netzwerkstabilität zu verbessern.

Anwendungsbereiche von LoRa

LoRa und LoRaWAN finden in verschiedenen Bereichen des Internets der Dinge (IoT) Anwendung. Einige der häufigsten Einsatzbereiche sind:

• Smart Cities: In intelligenten Städten werden LoRa-Sensoren zur Überwachung von Verkehr, Abfallmanagement, Luftqualität und Straßenbeleuchtung eingesetzt.
  
  
• Land- und Forstwirtschaft: Die Land- und Forstwirtschaft nutzt LoRa zur Überwachung von Bodenfeuchtigkeit, Wetterbedingungen und Tierbewegungen, um Prozesse zu optimieren.
  
  
• Industrie: In der Industrie wird LoRa verwendet, um Maschinen zu überwachen und Daten zu Prozessen und Zuständen in Echtzeit zu sammeln.

Fazit: LoRa als Schlüssellösung auch im Amateurfunk

LoRa und das dazugehörige LoRaWAN-Protokoll bieten eine ideale Lösung für die Kommunikation im Internet der Dinge.

Durch die Kombination von Chirp Spread Spectrum (CSS) Modulation, Spreading Factor (SF) und Adaptive Data Rate (ADR) ermöglicht LoRa eine energieeffiziente, weitreichende und kostengünstige Datenübertragung.

Die Nutzung des lizenzfreien ISM-Bandes und der asynchronen Kommunikation macht es besonders attraktiv für Anwendungen, bei denen eine Vielzahl von Geräten über große Entfernungen miteinander verbunden werden muss.

Mit seinen Sicherheitsprotokollen und seiner flexiblen Netzwerkarchitektur ist LoRa perfekt geeignet für den Einsatz in Smart Cities, der Land- und Forstwirtschaft und der Industrie.

Die Technologie wird eine zentrale Rolle bei der weiteren Entwicklung des IoT spielen und bietet unzählige Möglichkeiten für die Vernetzung von Geräten weltweit.

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vy 73 de DL6IO, Andreas

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