LoRa

Long Range, Low Power — drahtlose IoT-Technologie auf 868 MHz und 433 MHz mit Chirp Spread Spectrum (CSS), Kilometer-Reichweiten und jahrelanger Batterielebensdauer.

Was ist LoRa?

LoRa steht für «Long Range, low Power» und bezieht sich auf eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die entwickelt wurde, um Daten über große Entfernungen zu übertragen. Diese Technologie wird häufig für das Internet der Dinge (IoT) und Machine-to-Machine (M2M) Kommunikation eingesetzt. LoRa bietet eine Möglichkeit zur drahtlosen Datenübertragung über große Entfernungen bei niedrigem Energieverbrauch, was sie besonders gut für batteriebetriebene Geräte und Anwendungen macht, die eine lange Lebensdauer der Batterie erfordern. Die wichtigsten Merkmale von LoRa sind:

1. Große Reichweite: LoRa-Technologie ermöglicht die Übertragung von Daten über Entfernungen von mehreren Kilometern bis zu mehreren zehn Kilometern, je nach den Umgebungsbedingungen und der verwendeten Hardware.
2. Niedriger Energieverbrauch: LoRa-Geräte sind energieeffizient und können daher mit Batterien oder anderen energieeffizienten Energiequellen betrieben werden. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen der Batterieverbrauch minimiert werden muss.
3. Niedrige Datenraten: LoRa bietet vergleichsweise niedrige Datenraten im Vergleich zu anderen drahtlosen Technologien wie Wi-Fi oder 4G/5G. Dies ist jedoch ausreichend für viele IoT-Anwendungen, bei denen nur gelegentliche kleine Datenmengen übertragen werden müssen.
4. Lange Batterielebensdauer: Aufgrund des niedrigen Energieverbrauchs und der Effizienz von LoRa-Geräten können sie oft jahrelang ohne Batteriewechsel betrieben werden.

LoRa basiert auf einer Modulationstechnik, die es ermöglicht, Signale auch unter schlechten Funkbedingungen zu empfangen. Diese Technologie wird oft in Verbindung mit einem LoRaWAN (LoRa Wide Area Network) verwendet, einem drahtlosen Netzwerkprotokoll, das speziell für die Kommunikation mit LoRa-Geräten entwickelt wurde. LoRaWAN ermöglicht die Kommunikation zwischen LoRa-Geräten und einem zentralen LoRaWAN-Netzwerkserver, der die gesammelten Daten von den Geräten verarbeitet und weiterleitet. LoRa und LoRaWAN haben eine breite Palette von Anwendungen, darunter Smart Cities, Umweltüberwachung, Asset-Tracking, Landwirtschaft, intelligente Gebäude und vieles mehr. Sie bieten eine kosteneffiziente Möglichkeit, drahtlose Konnektivität für IoT-Anwendungen bereitzustellen, die über große geografische Gebiete verteilt sind.

Bandbreite vs. Reichweite

LoRaWAN eignet sich für die Übertragung kleiner Nutzdaten (wie Sensordaten) über große Entfernungen. Die LoRa-Modulation bietet eine deutlich größere Kommunikationsreichweite bei geringerer Bandbreite als andere konkurrierende Technologien zur drahtlosen Datenübertragung. Die folgende Abbildung zeigt einige Zugangstechnologien, die für die drahtlose Datenübertragung verwendet werden können, und ihre erwarteten Übertragungsreichweiten im Vergleich zur Bandbreite.

Frequenzbereiche

Hier sind die gebräuchlichsten Frequenzbänder für LoRa (abhängig von der Region und den regulatorischen Vorschriften):

1. 868MHz: In Europa das am häufigsten verwendete Frequenzband für LoRa-Technologie aufgrund seiner ausgezeichneten Reichweite und Durchdringungseigenschaften. In Nordamerika wird das 915 MHz Band verwendet. Die genauen Frequenzbereiche können je nach Land variieren, da die Regulierungsbehörden die Verwendung bestimmter Frequenzen festlegen. Die Sendeleistung ist auf 15 dBm (25 mW ERP) begrenzt, und es darf nur während 1 % der Zeit gesendet werden (Duty Cycle).
2. 433 MHz-Band: Das 433 MHz-Band wird ebenfalls in der Schweiz für LoRa-Kommunikation verwendet, obwohl es weniger üblich ist als das 868-MHz-Band. Als 70-cm-Amateurband darf es von lizenzierten Funkamateuren mit der erlaubten, deutlich höheren Sendeleistung und ohne die 1-%-Duty-Cycle-Beschränkung des ISM-Bands genutzt werden.
3. 2,4-GHz-Band: In einigen Regionen wird LoRa auch im 2,4-GHz-Band eingesetzt. Dieses Band wird weltweit für WLAN und andere drahtlose Technologien genutzt, und die Verwendung von LoRa im 2,4-GHz-Band kann daher stärkeren Störungen unterliegen.

Übertragungsraten

Die Übertragungsraten liegen für LoRa im Sub GHz Band je nach Konfiguration zwischen maximal 125 bps (Bits pro Sekunde) und einige Bits pro Sekunde wenn eine grosse Reichweite angestrebt wird.

Modulationsart «Chirp Spread Spectrum» (CSS)

LoRa (Long Range) verwendet eine spezielle Modulationsart namens «Chirp Spread Spectrum» (CSS). Chirp Spread Spectrum ist eine Art der Frequenzmodulation, bei der die Frequenz des Trägersignals linear über die Zeit geändert wird, was als «Chirp» bezeichnet wird. Dieser Chirp braucht eine sehr grosse Bandbreite (typ. 125kHz).

LoRa verwendet drei verschiedene Bandbreiten: 125kHz, 250kHz and 500kHz (in diesem Beispiel wird 125kHz  verwendet.).  LoRa-Symbole werden über einen Up-Chip von 125kHz Bandbreite moduliert und je nach Datenratenanforderung und Kanalbedingungen werden unterschiedliche orthogonale Spreizungsfaktoren verwendet. LoRa verwendet die Spreading Factors SF7 bis SF12. Ein höherer Spreizfaktor bringt mehr Reichweite, aber eine geringere Datenrate.

Hier ein Spektrogramm einer LoRa-Aussendung (Chirp Spread Spectrum):

Praktische Anwendungen von LoRa im Amateurfunk

LoRa-APRS

Ein LoRa-APRS-System wurde in Teilen der Schweiz aufgebaut. Es verwendet LoRa-Module im 433-MHz-Band und funktioniert mit wesentlich weniger Leistung als das traditionelle APRS auf 2 m. Die verbreitete Firmware stammt von Ricardo Guzmán (CD2RXU): LoRa_APRS_Tracker und LoRa_APRS_iGate.

Meshtastic

Meshtastic ist das populärste offene LoRa-Mesh-Projekt. Günstige LoRa-Module (z.B. Heltec, LilyGO T-Beam oder RAK) bilden selbstorganisierend ein Netz und tauschen Textnachrichten, Positions- und Sensordaten aus — bedient wird es bequem per Smartphone-App über Bluetooth. Jeder Knoten leitet Nachrichten weiter (Flooding), wodurch sich das Netz selbst heilt; das passt besonders zu beweglichen Stationen (Wanderung, Velo, Anlass). In Europa funkt Meshtastic auf dem 868-MHz-ISM-Band (max. 25 mW ERP) — das ist lizenzfreier Betrieb und kein Amateurfunk, auch wenn viele Funkamateure mitmachen. Mehr dazu: meshtastic.org.

MeshCore

MeshCore ist eine neuere Alternative (seit 2025) auf derselben Hardware, aber mit effizienterem Routing: Statt alle Nachrichten zu fluten, lernt MeshCore die Pfade zum Ziel und schickt Folgenachrichten gezielt über die passenden Zwischenknoten. Es kennt drei Geräterollen — Companion (das persönliche Endgerät), Repeater (reiner Umsetzer) und Room Server (speichert Gruppen-Chats und liefert sie Offline-Teilnehmern nach). Dadurch skaliert MeshCore besser in Netzen mit fest installierten Relais. Auch MeshCore läuft überwiegend auf dem 868-MHz-ISM-Band. Mehr dazu: meshcore.co.uk.

MeshCom

MeshCom ist das LoRa-Mesh speziell für den Amateurfunk. Es funkt im 70-cm-Band (433,175 MHz für Text, 433,775 MHz für Positionen), sendet unverschlüsselt und kennzeichnet jeden Knoten mit dem Rufzeichen — so bleibt der Betrieb regelkonformer Amateurfunk, mit den dort erlaubten höheren Leistungen und besseren Antennen. MeshCom-Gateways verbinden lokale Mesh-Inseln über das Internet oder das HAMNET zu einem grossen, gemeinsamen Netz. Das Projekt stammt vom ÖVSV (ICSSW) und läuft mit einer eigenen Firmware auf ESP32-Boards (Heltec, LilyGO T-Beam, RAK). Mehr dazu: wiki.oevsv.at/MeshCom.

LoRa Satelliten abhören

LoRa wird auch von Kleinstsatelliten (PocketQubes, CubeSats) zur Übertragung von Telemetrie genutzt. TinyGS ist ein offenes, weltweites Netz von Bodenstationen, die diese Satelliten empfangen: Mit einem günstigen ESP32-LoRa-Board (z.B. Heltec oder TTGO) baut man für wenige Franken eine eigene Empfangsstation, die die empfangenen Pakete automatisch ins gemeinsame TinyGS-Netz meldet und auf einer weltweiten Karte sichtbar macht. Mehr dazu: tinygs.com.

LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll, das speziell für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt wurde und basiert auf der LoRa-Technologie (Long Range). LoRaWAN erweitert die LoRa-Technologie, indem es ein Netzwerkprotokoll bereitstellt, das die Kommunikation zwischen LoRa-fähigen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver ermöglicht. Hier sind die wichtigsten Komponenten von LoRaWAN:

1. Endgeräte (LoRa-Nodes): Dies sind die IoT-Geräte, die Daten sammeln oder steuern und mit dem LoRaWAN-Netzwerk kommunizieren. Diese Geräte sind in der Regel mit LoRa-Funkmodulen ausgestattet und können verschiedene Sensoren, Aktoren oder andere IoT-Komponenten enthalten.
2. Gateways: LoRaWAN-Gateways sind Geräte, die Daten von den Endgeräten empfangen und an den zentralen Netzwerkserver weiterleiten. Diese Gateways sind strategisch in einem Gebiet platziert, um eine gute Abdeckung sicherzustellen.
3. Netzwerkserver: Der zentrale Netzwerkserver ist das Herzstück eines LoRaWAN-Netzwerks. Er empfängt Daten von den Gateways, verarbeitet sie, leitet sie an die richtigen Anwendungen weiter und stellt sicher, dass die Kommunikation sicher und zuverlässig ist. Ein bekannter öffentlicher Netzwerkserver ist The Things Network (TTN).
4. Anwendungen: Anwendungen und Dienste, die auf die von den Endgeräten gesammelten Daten zugreifen und diese nutzen, um spezifische Anforderungen zu erfüllen. Dies können Anwendungen zur Überwachung von Umweltbedingungen, Asset-Tracking, intelligente Städte und vieles mehr sein.

LoRa Alliance

Die LoRa Alliance ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die eine wichtige Rolle bei der Förderung, Entwicklung und Standardisierung der LoRaWAN-Technologie spielt. Ihre Hauptziele und Aufgaben umfassen:

1. Standardisierung: Die LoRa Alliance arbeitet daran, offene Standards für LoRaWAN zu entwickeln und zu fördern. Dies hilft, Interoperabilität zwischen verschiedenen LoRaWAN-Geräten und Netzwerken sicherzustellen und die breite Akzeptanz der Technologie zu fördern.
2. Zertifizierung: Die LoRa Alliance betreibt ein Zertifizierungsprogramm, das sicherstellt, dass LoRaWAN-Geräte und -Netzwerke den festgelegten Standards entsprechen. Dies fördert die Qualität und Zuverlässigkeit der LoRaWAN-Implementierungen.
3. Förderung der Technologie: Die LoRa Alliance arbeitet daran, das Bewusstsein für LoRaWAN und seine Anwendungsfälle zu schärfen. Dies geschieht durch Marketinginitiativen, Veranstaltungen und Bildungsbemühungen.
4. Interessenvertretung: Die LoRa Alliance vertritt die Interessen ihrer Mitglieder und der LoRaWAN-Community auf politischer und regulatorischer Ebene. Dies beinhaltet die Zusammenarbeit mit Regulierungsbehörden und die Unterstützung von Richtlinien, die die Verwendung von LoRaWAN fördern.
5. Ökosystemaufbau: Die LoRa Alliance fördert den Aufbau eines umfassenden LoRaWAN-Ökosystems, indem sie Unternehmen, Forschungsinstitute, Entwickler und Anwender zusammenbringt. Dies trägt zur Innovation und Weiterentwicklung von LoRaWAN bei.
6. Entwicklung von Spezifikationen: Die LoRa Alliance arbeitet an der Entwicklung von LoRaWAN-Spezifikationen, um sicherzustellen, dass die Technologie den sich ändernden Anforderungen und Herausforderungen des IoT gerecht wird.

Die LoRa Alliance hat eine breite Mitgliederbasis, zu der Unternehmen, Forschungseinrichtungen und andere Organisationen gehören, die an der Förderung und Weiterentwicklung von LoRaWAN interessiert sind. Ihre Bemühungen haben dazu beigetragen, LoRaWAN zu einer weit verbreiteten und akzeptierten Technologie für das Internet der Dinge (IoT) zu machen und die weltweite Verfügbarkeit von LoRaWAN-Netzen und -Geräten zu fördern.

The Things Network

Das ist ein von Enthusiasten gegründetes LoRaWAN Netzwerk das aus vielen privaten Gateways und einem offenen Netzwerk besteht. Es kann von allen Sensoren gratis benutzt werden.

Helium

Das ist ein geschlossenes LoRaWAN Netzwerk, das hauptsächlich zum schürfen einer Kryptowährung verwendet wird. Die Teilnahme geschieht auf eigenes Risiko.

Ausserdem gibt es einige kommerzielle LoRaWAN Netzwerke. In der Schweiz wird ein solches von Swisscom betrieben.

• The Things Network — Was ist LoRaWAN?
• LoRa Alliance
• LoRaWAN-Spezifikationen (LoRa Alliance)
• sghoslya.com — LoRa is Chirp Spread Spectrum