Was ist LoRa?

Als LoRa wird eine von Semtech hergestellte Low-Power-Wide-Area-Network-Technologie (LPWAN) bezeichnet, die Chirp-Spread-Spectrum-Technologie (CSS) zur Signalübertragung verwendet.

Wer damit beginnt, tiefer in das Thema LoRaWAN und dessen vielfältige Möglichkeiten einzusteigen, wird sich schnell mit einer Vielzahl unbekannter Begriffe und Abkürzungen konfrontiert sehen. Ein ständiger Wegbegleiter von LoRaWAN ist dabei LoRa – die Kurzform des englischen Begriffspaars Long Range – Grund genug also, einen genaueren Blick darauf zu werfen, was darunter überhaupt zu verstehen, warum es für die LoRaWAN-Technologie so unverzichtbar ist und Semtech so gezielt am Ausbau des LoRaWAN-Netzwerks arbeitet.

LoRa ist eine Form einer sogenannten LPWAN-Funktechnologie. LPWAN ist die Abkürzung für den englischen Begriff des Low Power Wide Area Network, der sich grob als etwa Niedrigenergieweitverkehrsnetz übersetzen lässt. Dieses Wortungetüm allein sollte bereits genügend Anlass bieten, um die wesentlich bekanntere und einfacher zu nutzende Kurzform LPWAN zu nutzen.

Etwas Gutes lässt sich an der deutschen Übersetzung aber dann doch wieder finden: Zwei der wichtigsten Vorteile eines solchen Netzwerks werden sofort ersichtlich – nämlich der niedrige Energieverbrauch (Low Power) des Übertragungsverfahrens und die damit verbundene hohe Batterielaufzeit sowie die große Funkreichweite (Wide Area).

Diese Grundeigenschaften machte sich das französische Unternehmen Cycleo zunutze und entwickelte mit LoRa ein Übertragungsverfahren von Datenmengen bei sehr großer Funkreichweite mit geringem Energieaufwand. Offenbar mit großem Erfolg, denn Cycleo wurde später vom Halbleiterhersteller Semtech übernommen, um die LoRa-Technologie und natürlich auch LoRaWAN weiter auszubauen. LoRa wird in vielen Bereichen immer stärker zum Industriestandard.

Wie funktioniert LoRa?

Stichwort: Technologie.

Um zu verstehen, was LoRa so besonders macht, ist es hilfreich, einen genaueren Blick auf die technischen Hintergründe zu werfen. LoRa benutzt eine CSS-Modulationstechnik, um Datenmengen im Zuge eines speziellen Übertragungsverfahren mit sehr hoher Funkreichweite von verschiedenen Nodes auf ein LoRa-Gateway zu übermitteln. CSS steht dabei nicht etwa als Abkürzung für die weitverbreitete Programmiersprache Cascading Style Sheets, sondern für Chirp Spread Spectrum.

CSS – Chirp Spread Spectrum

Der Begriff setzt sich aus zwei unterschiedlichen Aspekten der Informationstechnik zusammen. LoRa nutzt einerseits Chirps – was sich grob etwa mit Zwitschern übersetzen lässt. Grundsätzlich lässt sich damit ein Signal mit zeitlichen Frequenzänderungen beschreiben. Das bedeutet, dass ein Signal gesendet wird, dessen Frequenz zunimmt (ein positiver Chirp) oder abnimmt (ein negativer Chirp).

Als Spread Spectrum, oder auch Frequenzspreizung wird hingegen ein Vorgang bezeichnet, bei dem ein Signal mit einer bestimmten Bandbreite gezielt umgewandelt wird, um eine größere Bandbreite und somit auch ein breiteres Frequenzspektrum zu nutzen – daher der Begriff der Frequenzspreizung.

Es gibt zwei sehr gute Gründe, wieso Spread-Spectrum-Technologien in der Signalübertragung eingesetzt werden. Insbesondere LoRa wirbt damit, dass die Technologie sehr zuverlässig gegenüber Störfällen und stets eine sehr hohe Datensicherheit gegeben ist. Zurecht, wie sich feststellen lässt. Denn durch die Verbreiterung des Frequenzspektrums ermöglicht Spread Spectrum es, die Störanfälligkeit stark zu verringern. Die Gefahr, dass es Probleme bei der Datenübertragung etwa durch natürliche Interferenzen oder gezieltes Signalblocken gibt, wird dadurch minimiert. Gerade weil LoRa und damit auch LoRaWAN-Netzwerke oft zur Gewinnung von Klimadaten eingesetzt wird, ist die Robustheit gegenüber Störungen ein nicht zu unterschätzender Vorteil.

Doch auch der Aspekt der hohen Datensicherheit ist nicht von der Hand zu weisen. Für viele Unternehmen ist der Schutz ihrer Daten überlebenswichtig. Daten, die von Nodes zu LoRa-Gateways gesendet werden, spielen dabei keine Ausnahme. Durch die Nutzung von Spread-Spectrum-Technologien wird es für Unbefugte äußerst schwer, die Inhalte der übertragenen Daten auszulesen. Besser noch, oftmals ist es bereits kaum möglich, festzustellen, ob überhaupt eine Datenübertragung stattfindet. Da LoRa oft in Situationen zum Einsatz kommt, bei denen eine kontinuierliche Signalübermittlung elementarer Bestandteil ist, sorgt dieses hohe Maß an Datensicherheit für einen zusätzlichen Vorteil bei der Nutzung von LoRa-Technologien.

LoRa-Modul

Wer sich mit Netzwerktechniken beschäftigt, wird zwangsläufig irgendwann mit dem OSI-Referenzmodell konfrontiert. Darin wird ein Schichtenmodell beschrieben, dessen Ziel es ist, Netzwerkarchitekturen zu vereinheitlichen und für jede Schicht klar definierte Aufgaben vorzugeben.
LoRa gehört naturgemäß auch zu den Netzwerktechniken und orientiert sich demnach ebenfalls am OSI-Referenzmodell. In der Praxis bedeutet das, dass ein LoRa-Modul dazu genutzt wird, um die physikalische Grundlage des LoRaWAN-Netzwerkes zu liefern. Im Schichtenmodell wird diese erste Schicht auch als Bitübertragungsschicht oder Physical Layer bezeichnet.
Die Funkreichweite der Signalübertragung kann bis zu mehr als 10 Kilometern betragen und Geschwindigkeiten der Datenrate zwischen 0,3 kbit/s und 27 kbit/s erreichen. Da LoRa-Netzwerke als Funktechnologie gelten, dessen Netzwerkmodule von langlebiger Batterielaufzeit abhängig sind, ist die Datenmenge, die übertragen werden kann, vergleichsweise gering. Gleichzeitig können batteriebetriebene LoRa-Module mitunter jahrelang im Einsatz sein und kontinuierlich Datenpakete senden. Mit so einer Funktechnologie lässt sich ein langanhaltender Datentransfer gewährleisten. Gerade für Unternehmen, die ein konstantes Tracking von Umgebungsdaten benötigen, etabliert sich mit LoRa immer mehr ein Industriestandard.

Die zur Datenübertragung genutzten Frequenzen variieren je nach Region. In Europa werden die Radiofrequenzen von 433,05 – 434,79 MHz und 863 – 870 MHz genutzt. Australien und Nordamerika nutzen die Frequenz 915 MHz, während Indien auf 865 – 867 MHz und Asien via 923 MHz sendet.

Interessant zu wissen ist, dass LoRa genutzt werden kann, um die Empfindlichkeit und Datenrate nach den eigenen Bedürfnissen anzupassen. Konkret bedeutet das, dass die Größe der Frequenzspreizung variiert werden kann. Durch eine geringere Frequenzspreizung werden mehr Chirps übertragen und somit ergibt sich auch eine höhere Datenrate, allerdings mit geringerer Empfindlichkeit für den Empfänger. Bei höherer Frequenzspreizung verringert sich zwar die Datenrate, da weniger Chirps pro Sekunde gesendet werden, doch gleichzeitig resultiert das auch in längerer Sendezeit. Diese Verlängerung gibt dem Empfänger mehr Möglichkeiten, die Stärke des Signals zu testen und zu verarbeiten, was wiederum in einer höheren Sensibilität resultiert.
In Abhängigkeit der jeweiligen Nutzerbedürfnisse lassen sich hiermit sehr hilfreiche Anpassungen bei der Signalübertragung vornehmen.

LoRa-Allianz

Wichtig zu erwähnen ist in der Auseinandersetzung mit LoRa natürlich auch die zugehörige LoRa-Allianz. Diese gemeinnützige Organisation hat es sich zum Ziel gesetzt, die Verbreitung und Nutzung von LoRaWAN-Technologien gezielt zu fördern. Namenhafte Mitglieder sind unter anderem, natürlich, Semtech, IBM, Cisco, KPN und Swisscom.