In diesem Blog Post werden die physikalischen Eigenschaften von Funknetzwerken – im speziellen die der LoRaWAN-Technologie – in Bezug auf die Reichweite beschrieben. Die präsentierten Informationen unterstützen den Planungsprozess und die Beurteilung von Anwendungsfällen von LoRaWAN.
Teil 1 des Artikels erklärt die Faktoren und ihre Zusammenhänge, die Einfluss auf die Funkreichweite haben. Teil 2 “Reichweite und Abdeckung von LoRaWAN in der Praxis” zeigt und bewertet gesondert Messungsbeispiele aus dem realen Umfeld.
In der Funktechnik gibt es im Wesentlichen drei Eigenschaften, mit der sich ein Netzwerk charakterisieren lässt:
- die Reichweite/Entfernung,
- die Datenübertragungsgeschwindigkeit und
- der Energieverbrauch.
Es ist nur schwer möglich, allen drei Kriterien mit gleicher Gewichtung Rechnung 
WiFi und Bluetooth z.B. erzielen sehr hohe Datenraten, aber der Energieverbrauch ist vergleichsweise hoch und die Reichweite sehr gering. Allen Nutzern von Smartphones ist dieser Energiehunger nur zu gut bekannt. Die Basisstationen der großen Telekommunikationsanbieter bieten hohe Datenraten und relativ hohe Reichweiten, allerdings muss dafür eine große Menge Energie zur Verfügung stehen. Daher ist die Stromversorgung bei solchen Installationen immer ein sehr wichtiger Planungsfaktor.
In der Praxis ist eine Optimierung auf maximal 2 der oben genannten Kriterien möglich. – Es muss also immer die Entscheidung getroffen werden, welche Eigenschaften Priorität haben.
Das Link-Budget
Das Link-Budget, (oder die sog. Leistungsübertragungsbilanz) gibt die Qualität eines Funk-Übertragungskanals an.
Über ein einfaches Modell lässt sich das Link-Budget mittels Addition der Sendeleistung (Transmitter Power, Tx), der Empfängerempfindlichkeit (Receiver Power, Rx), des Antennengewinns und der Freiraumdämpfung (Free Space Path Loss, FSPL) errechnen.
Im weiteren Verlauf wird das Link-Budget von LoRaWAN berechnet.
LoRaWAN Starter Kit
Der Pfadverlust
Der Pfadverlust besagt, wie viel Energie auf einer Entfernung zwischen Tx und Rx im freien Raum verloren geht. Je weiter die Entfernung zwischen Tx und Rx, desto niedriger ist die Energie. Der Pfadverlust wird normalerweise folgendermaßen dargestellt:
FSPL = (4πd/λ)2 = (4πdf/c)2 (1)
dabei bedeutet:
FSPL = Free Space Path Loss (Freiraumdämpfung)
d = Abstand zwischen Tx und Rx in Metern
f = Frequenz in Hertz
Es gibt auch eine weit verbreitete logarithmische Berechnungsformel für die Freiraumdämpfung:
FSPL (dB) = 20log10(d) + 20log10(f) – 147,55 (2)
Eine Verdoppelung des Abstands (d) bedeutet somit 6dB an Verlust (im Freiraum).
Empfängerseitig (Rx) ist die Empfindlichkeit des Empfängers die Größe, die das Link-Budget beeinflusst. Die sog. Rx-Empfindlichkeit bezeichnet die minimal mögliche Empfangsleistung und Toleranz für thermisches Rauschen und wird folgendermaßen berechnet:
Rx-Empfindlichkeit = -174 + 10log10(BW) + NF + SNR (3)
dabei bedeutet:
BW = Bandbreite in Hz,
NF = Rauschfaktor in dB,
SNR = Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio). Es gibt an, wie weit das Signal über
dem Rauschen liegen muss.
Die Rx-Empfindlichkeit bei LoRaWAN ist höher – und damit besser – als z.B. bei WLAN.
Formel (4) zeigt den Extremfall des Pfadverlusts an, ohne den Antennengewinn und andere Arten der Freiraumdämpfung einzubeziehen:
Link-Budget = Max. Rx-Empfindlichkeit (dB) – Max. Tx-Leistung (dB) (4)
Ein Beispiel für die Berechnung eines LoRaWAN-Link-Budgets:
Tx-Leistung = 14 dBm
BW = 125KHz = 10log10(125000) = 51
NF = 6 dB (die Gateways in LoRaWAN-Netzwerken haben niedrigere NF-Werte)
SNR = -20 (für SF=12)
Diese Zahlen eingetragen in Formel (3) ergeben eine Rx Empfindlichkeit von -137 dBm
Rx-Empfindlichkeit = – 174 + 51 + 6 – 20 = -137 dBm
Das Link-Budget lässt sich dann wie folgt mit Formel (4) berechnen:
Link-Budget = -137dB – 14dB = -151dB
Mit den angegebenen Werten ergibt sich ein LoRaWAN-Link-Budget von 151 dB.
Mit dem für LoRaWAN spezifischen Link-Budget von 150 dB lässt sich unter optimalen Bedingungen (reine Freiraumdämpfung) eine Distanz von bis zu 800 km überwinden. Der aktuelle LoRaWAN-Weltrekord liegt bei einer Reichweite von 702 km.
Unter Realbedingungen werden diese Idealwerte selbstverständlich nicht erreicht. Dies hängt von mehreren Faktoren ab.
Faktor Freiraumdämpfung
Durch die Verdopplung der Entfernung nimmt die Freiraumdämpfung für LoRaWAN um 6 dB zu, somit unterliegt die Dämpfung der Funkausbreitung einer logarithmischen Funktion (siehe Formel (1)).
Zusätzlich zum Energieverlust in Abhängigkeit der Entfernung können Faktoren wie Reflektionen und Brechungen von Funkwellen an Objekten zu Überlagerungen der Funkwellen führen, was sich auch negativ auf die Reichweite auswirken kann. (Anmerkung: Diese Zusammenhänge werden im Video “LoRa crash course” von Thomas Telkamp ab Position 15:41 sehr gut erläutert.)
Faktor strukturelle Dämpfung
Die strukturelle Dämpfung, d.h. die Dämpfung von Funksignalen bei der Durchdringung unterschiedlicher Hindernisse, beeinflusst den Empfang von übertragenen Signalen und sorgt für eine erhebliche Verkürzung der Reichweite. Beispielsweise dämpft Glas mit gerade mal 2dB. Dies beeinflusst die Reichweite wesentlich weniger, als eine dicke Betonwand von 30 cm. In der unten stehenden Tabelle sind verschiedener Materialien sowie deren typische Dämpfung aufgeführt.
| Material | Dämpfung (dB) |
| Glas (6mm) | 0,8 |
| Glas (13mm) | 2 |
| Holz (76mm) | 2,8 |
| Ziegelstein (89mm) | 3,5 |
| Ziegelstein (178mm) | 5 |
| Ziegelstein (267mm) | 7 |
| Beton (102mm) | 12 |
| Steinmauer (203mm) | 12 |
| Ziegelbeton (192mm) | 14 |
| Steinmauer (406mm) | 17 |
| Beton (203mm) | 23 |
| Stahlbeton (89mm) | 27 |
| Steinmauer (610mm) | 28 |
| Beton (305mm) | 35 |
Faktor Fresnelzone
Zur effektiven Abdeckung von hohen Reichweiten und zum Erreichen eines guten Link-Budgets ist es außerdem wichtig, so oft wie möglich eine direkte Sichtverbindung (line of sight) zwischen Sender und Empfänger herzustellen. In der Funkübertragung werden bestimmte räumliche Bereiche zwischen der Sichtlinie als Fresnel-Zonen bezeichnet. Befinden sich Objekte in diesen Zonen können diese einen negativen Einfluss auf die Wellenausbreitung haben, obwohl generell Sichtkontakt zwischen Sende- und Empfangsantenne besteht. Bei jedem Objekt, das sich in der Fresnelzone befindet, wird der Signalpegel gesenkt und die Reichweite verringert (siehe Abbildung).
In LoRaWAN-Netzwerken werden normalerweise Rundstrahlantennen eingesetzt. Dadurch verbreitet sich abgestrahlte Energie auf der horizontalen Ebene, in der sich die Netzwerkknoten und Gateways befinden. In Europa ist die Grenze der Sendeleistung eines ISM-Bandes als 14 dBm für eine Frequenz von 868 MHz definiert. Außerdem ist der maximale Antennengewinn auf 2,15 dBi festgelegt.
Faktor Spreading Factor
Ein LoRaWAN-Netzwerk verwendet Spreading Factors (SF, Spreizfaktoren) zur spezifischen Einstellung der Datenübertragungsrate gegenüber der Reichweite. In LoRaWAN-Netzwerken werden SF7 bis SF12 verwendet. LoRaWAN-Netzwerke sind aufgrund ihrer Chirp Spread Spectrum-Modulierung sowie verschiedener phasenverschobener Frequenzen, die für Chirps verwendet werden, unempfindlich gegenüber Störungen, Mehrwegeausbreitung und Fading (in der Elektrotechnik als Schwund bezeichnet). Chirps werden verwendet, um Daten in LoRaWAN-Netzwerken auf der Tx-Seite zu kodieren, während auf Rx-Seite inverse Chirps zur Signaldecodierung verwendet werden. Die oben erwähnten SFs geben an, wie viele Chirps pro Sekunde verwendet werden, und definieren Bitraten, pro Symbol abgestrahlte Energie und erreichbare Reichweite.
SF9 ist zum Beispiel hinsichtlich der Bitraten 4-mal langsamer als SF7. Die Skalierbarkeit von LoRaWAN wird durch SFs erreicht. Je langsamer die Bitrate, desto höher die Energie pro Datensatz und die Reichweite. LoRaWAN unterstützt eine automatische Anpassung der SF-Faktoren in Abhängigkeit der Netzwerkkonfiguration, sog. Adaptive Data Rate (ADR).
Zusammenfassung
- Das Link-Budget gibt die maximale Reichweite eines LoRaWAN-Netzwerks vor.
- Die Freiraumdämpfung beeinträchtigt die Reichweite. Durch die Verdopplung der Entfernung nimmt die Freiraumdämpfung um 6 dB zu.
- Reflektionen und Brechungen der Funkwellen an Hindernissen und Boden beeinflussen Signalpegel und Reichweite. Im LoRaWAN-Netzwerk befindet sich eine Seite der Funkverbindung in der Regel in Bodennähe.
- Hindernisse in der ersten Fresnelzone beeinflussen den Signalpegel auf der Rx-Seite und verkürzen die Reichweite.
- SF-Werte und somit die Reichweite eines Senders hängen von den Ausbreitungsbedingungen ab. LoRaWAN erlaubt mittels ADR ein automatisches Netzmanagement und regelt damit die Reichweiten der Sender.
- Die Rx-Empfindlichkeit hängt von Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Rauschfaktor (NF) und Bandbreite (BW) ab.
LoRaWAN Starter Kit
Strategien für Reichweitenoptimierung bei LoRaWAN
Folgende Punkte gilt es zu beachten, um die Reichweite in einem Netzwerk mit LoRaWAN-Technologie zu verbessern:
- Standort des Gateways: Stellen Sie optische Sichtbarkeit zwischen den Tx- und Rx-Antennen her. Erhöhen Sie die Höhe der Antennen, um eine optische Sichtbarkeit zwischen den Antennen zu erreichen. Der Einsatz von Außenantennen ist immer besser als in Innenräumen.
- Wahl der Antenne: Klassische Stabantennen konzentrieren die Energie in der horizontalen Ebene. Vermeiden Sie Hindernisse in der unmittelbaren Nähe der Antenne. Außerdem sollten diese immer besser an einem Mast als an der Seite des Gebäudes angebracht werden. Die Reichweite sollte sich verbessern, wenn die Antenne sorgfältig ausgewählt ist und die Antennenpolarisation und der maximal definierte Antennengewinn optimal aufeinander eingestellt werden.
- Wahl des Verbindungsmaterials: Verwenden Sie Qualitäts-Stecker (N-Stecker) und Kabel (LMR 400 oder gleichwertig, mit einem Verlust von weniger als 1,5 dB pro 100 m). Um den Verlust im Verbindungsmaterial zu reduzieren, gilt es auch die Länge der Verbindung zwischen Station und Antennen so gering wie möglich zu halten.
- Installation in der Nähe andere Funkanlagen: Vermeiden Sie starke Störeinflüsse, beispielsweise von umliegenden GSM- oder UMTS-Stationen. Beachten Sie hierzu die Bedienungsanleitung der Hersteller (meist unter dem Begriff “co-localization” zu finden).
- Generell sollte in diesem Zusammenhang noch kurz erwähnt werden, dass der Installation eines LoRaWAN-Gateways auf ausreichenden Überspannungs- und Blitzschutz geachtet werden sollte.
Dies ist der erste von zwei Artikelteilen. Im 2. Teil geht es um reale Übertragungsdistanzen in verschiedenen urbanen Szenarien gehen.
