Wenn es um Smart Metering bei der Energieversorgung geht, ist LoRaWAN eine spannende Technologie, die bei geringem Investitionsaufwand viel Potenzial bietet. Die Technologie kann auf IoT-Technologie aufsetzen und mithilfe von speziellen wartungsarmen LoRaWAN-Clients die Übertragung von Messdaten ermöglichen.
Durch LoRaWAN kann die Datensammlung zentral über Gateways durchgeführt werden, die beispielsweise an strategisch zentralen Punkten in Assets untergebracht werden können, wie auch im ew-Magazin für die Energiewirtschaft beschrieben. Mit dieser Technik können Überwachungs- und Sensordaten ausgelesen werden, ohne viel Infrastruktur und Verbindungen verlegen zu müssen.
In Industrieanlagen kann durch die sinnvolle Anbringung von Gateways mit relativ einfachen Mitteln ohne viel Verkabelung eine weitestgehende vollständige Flächenabdeckung erreicht werden, um Mess- und Sensordaten zu erhalten:
- Digitale Auslesung von Zählern, Messstellen und Füllgraden, auch für Messstellenbetreiber
- Ladeströme von Photovoltaik-Anlagen
- Auslastungsüberwachung
- Störungsmeldungen
- Messung von Umweltdaten
- Wartungsintervall-Meldungen
- Erkennung von Vibrationen
- Messung von Neigungswinkeln
- Sicherheitsmanagement
Eine Einschränkung existiert allerdings: Alle Systeme, bei denen eine garantierte direkte Signalübertragung gewährleistet sein muss, eignen sich nicht für LoRaWAN. Dies wären in diesem Sinne beispielsweise Lichtsignalanlagen im Verkehr, Brandschutzeinrichtungen oder zeitkritische Befehlsübertragungen für die Steuerung von Maschinen.
Dieser Artikel bietet Einblicke, wie LoRaWAN die Effizienz von Messdatenüberwachung in der Energiebranche optimieren kann.
Was ist LoRa und LoRaWAN?
LoRa, kurz für „Long Range“, ist eine drahtlose Datenkommunikationstechnologie, die eine stromsparende Kommunikation mit großer Reichweite zwischen Geräten in einem IoT-Netzwerk (Internet of Things) ermöglicht. Mit seinem Chirp-Spread-Spectrum- Modulationsschema arbeitet LoRa je nach Region zwischen 400 MHz und 950 MHz. In Europa wird üblicherweise das 868-MHz-Band verwendet.
LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Es handelt sich um ein Protokoll, das LoRa-fähige Geräte in einem Netzwerk organisiert. Nachrichten von Geräten werden an Gateways gesendet, die die Nachrichten dann an einen zentralen Netzwerkserver weiterleiten, der meist in einer Stern-von-Stern-Topologie organisiert ist. Mit einer Datenübertragungsrate von maximal 50 kbit/s eignet sich LoRaWAN für die nicht zeitkritische Übertragung von Messdaten.
LoRaWAN findet Anwendung in Bereichen wie Smart Farming, Umweltüberwachung und Smart-City-Projekten, in denen die Geräte in der Regel stationär und batteriebetrieben sind und nur selten kleine Datenpakete senden. Auch Digital Twins oder Industrieüberwachungen werden mit Hilfe von LoRaWAN in der Umsetzung unterstützt.
Machbarkeitsstudie mit LoRaWAN
Bei inovex haben wir einen Testaufbau durchgeführt, in dem wir LoRaWAN untersucht haben. Wie wir den Test aufgebaut haben und zu welchen Ergebnissen wir gekommen sind, können Sie hier nachlesen.
Wichtige Spezifikationen und Testaufbau für LoRaWAN
In diesem Abschnitt gehen wir einige der wichtigen Spezifikationen durch, um später die Ergebnisse der Feldtests zu verstehen und die Grundlagen dafür zu erlernen, was bei der Bereitstellung eines LoRaWAN wichtig ist.
RSSI: Der Signalstärkeindikator
RSSI (Received Signal Strength Indicator) ist ein Maß für die von der Antenne empfangene Leistung. Es ist eine wichtige Kennzahl, um die Qualität einer Verbindung in einem drahtlosen Netzwerk zu verstehen. Stärkere Signale (näher an 0 dBm) bedeuten in der Regel einen klareren Datenempfang und eine geringere Wahrscheinlichkeit von Paketverlusten. Werte näher an -125 dBm bedeuten eine schlechtere Signalstärke, bei der Paketverluste auftreten können.
Spreading Factor: Ausgewogenheit von Reichweite und Datenrate
Der Spreading Factor (SF) spielt bei der LoRa-Modulation eine wichtige Rolle, da er als Regler dient, mit dem Netzwerkdesigner das Gleichgewicht zwischen Kommunikationsreichweite, Datenrate und Energieverbrauch regulieren können. Ein höherer SF-Wert kann die Kommunikationsreichweite erhöhen, wodurch die Signale robuster werden und selbst bei sehr niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissen erkannt werden können. Dies hat jedoch einen Nachteil: Mit zunehmender SF sinkt die Datenrate, was bedeutet, dass die Übertragung einer bestimmten Datenmenge länger dauert.
In unseren Tests haben wir uns für einen SF von 10 entschieden. Diese Wahl wurde getroffen, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Erzielung einer sinnigen Kommunikationsreichweite und der Aufrechterhaltung einer ausreichenden Datenrate zu erreichen. Bei einem SF von 10 konnten wir beobachten, dass Datenpakete zuverlässig alle 30 Sekunden übertragen wurden – eine Frequenz, die für unsere Feldtests und den allgemeinen Tracking-Anwendungsfall recht gut geeignet war.
Im Gegensatz dazu verlangsamte sich die Datenrate erheblich, als wir mit einem SF von 12 experimentierten, wobei die Pakete in Intervallen von 3 bis 5 Minuten übertragen wurden, ohne dass sich die Reichweite wesentlich erhöhte. Für unsere Zwecke war diese niedrigere und weniger vorhersehbare Frequenz nicht praktikabel.
Antennenspezifikationen
Der Antennen-Gain, gemessen in dBi, spielt eine entscheidende Rolle für die Reichweite und Zuverlässigkeit von LoRa-Übertragungen. Eine Antenne mit höherem Gain kann Funkwellen effektiver fokussieren und so die Übertragungsreichweite vergrößern.
Vorbereitung der Tests
Um die Tracking-Fähigkeiten von LoRaWAN zu bewerten, haben wir eine maßgeschneiderte und tragbare Testanordnung entwickelt. Im Mittelpunkt unserer Ausrüstungsliste standen ein „Wisgate Edge Pro“-Gateway und ein „ELV-LW-GPS1“-GPS-Tracker. Unser Gateway, dessen Spezifikationen eine maximale Sendeleistung von 27 dBm und eine minimale Empfängerempfindlichkeit von -139 dBm umfassen, wurde mit zwei 5-dBi-Glasfaserantennen mit Verstärkung geliefert. Der GPS-Tracker, der zunächst mit seiner Standardantenne ausgestattet war (Reichweite > 500 m laut Datenblatt), wurde später mit einem N-Typ-Anschluss versehen, sodass wir mit verschiedenen Antennen experimentieren konnten – insbesondere mit einer kleinen LTE-Antenne mit einem Gain von 2 dBi und einer Hochleistungs-Glasfaserantenne mit einem Gain von 5 dBi.
Die Stromversorgung dieser tragbaren Einrichtung stellte eine eigene Herausforderung dar, die wir durch den Einsatz von Bohrmaschinenbatterien bewältigten. Ein 20-V-zu-12-V-DC/DC-Wandler machte das Gateway mit diesen Batterien kompatibel, während der GPS-Tracker mit einer anderen Bohrmaschinenbatterie betrieben wurde. Um Echtzeit-Datenkommunikation und -Visualisierung zu ermöglichen, haben wir das Gateway über LAN in einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration mit einem Computer verbunden. Auf der Softwareseite diente ChirpStack als unser Netzwerkserver, während InfluxDB die Datenspeicherung übernahm. Für die visuelle Darstellung unserer Daten verwendeten wir Grafana und das GeoMapPlugin sowie eine einfache React-Leaflet-App.
Unser umfassendes Setup sollte nicht nur die grundlegende Funktionalität von LoRaWAN testen, sondern auch untersuchen, wie sich verschiedene Variablen – wie die Wahl der Antenne – auf die Leistung auswirken könnten.
Städtische vs. ländliche Umgebung: Die Auswirkungen auf die LoRaWAN-Reichweite
Um zu verdeutlichen, wie sich städtische Strukturen und Sichtbehinderungen zwischen Gateway und GPS-Tracker auf die Übertragungsqualität auswirken, haben wir eine Analyse anhand einer Reihe von Feldtests durchgeführt.
Testfall 1: Städtische Umgebung
Der erste Test fand im städtischen Gebiet von Pasing, München, statt, wobei das Gateway 15 Meter über dem Boden positioniert war. Unter diesen Bedingungen betrug die maximal beobachtete Reichweite lediglich 0,91 km.
Beobachtungen
In dieser dicht besiedelten städtischen Umgebung musste das Signal durch ein komplexes Labyrinth von Gebäuden navigieren, um das Gateway zu erreichen. Trotz der Verwendung einer 5-dBi-Glasfaserantenne konnten keine Signale über die Bahnstrecke hinaus dringen, was auf erhebliche Hindernisse hindeutet.
Testfall 2: Ländliche Umgebung
Im Gegensatz dazu wurde der zweite Test in der Nähe von Langwied, einer ländlichen Umgebung in der Nähe von München, durchgeführt. Hier befand sich das Gateway nur 2 Meter über dem Boden, und dennoch erstreckte sich die Übertragungsreichweite beeindruckenderweise auf 4,49 km.
Beobachtungen
An einem S-Bahnhof und über einer Hochspannungsleitung gelegen, wurden die anfänglichen RSSI-Werte in diesem Test zwischen -44 und -47 dBm aufgezeichnet. Obwohl dies an sich keine schlechten Signalstärken sind, waren sie im Vergleich zu dem im Testfall 1 beobachteten Bereich von -33 bis -37 dBm merklich schwächer, was auf mögliche Störungen durch elektromagnetische Quellen hindeutet.
Vergleichende Bewertung beider Testfälle
Diese Experimente veranschaulichen die Auswirkungen, die die Behinderung der Sichtlinie auf die Übertragungsqualität und -zuverlässigkeit hat. In ländlichen Umgebungen, in denen die Hindernisse minimal sind, war die Reichweite mit 4,49 km groß. Im starken Gegensatz dazu sank diese Reichweite in städtischen Umgebungen, die voller Hindernisse sind, auf weniger als 1 km.
Testfall 1 zeigte außerdem eine starke Verschlechterung der RSSI-Werte, nachdem das Signal eine Unterführung hinter den Gleisen passiert hatte, fiel in den Bereich von -80 dBm und verschlechterte sich weiter. Dieses Muster führte zu einer Hypothese: Könnten die magnetischen Störungen durch Eisenbahnen und Hochspannungsleitungen die Signalverschlechterung weiter negativ beeinflussen?
Diese Hypothese wurde in Testfall 2 weiter gestützt. Trotz der ländlichen Umgebung schien die Nähe des Tores zu einer S-Bahn-Station und Hochspannungsleitungen die anfänglichen RSSI-Werte negativ zu beeinflussen.
Eine durchgängige Beobachtung bei beiden Tests war die Korrelation zwischen RSSI-Werten und Paketverlust. Insbesondere wenn der RSSI-Wert unter -100 dBm fiel, stieg der Paketverlust dramatisch an, was oft dazu führte, dass 7 von 8 Paketen verloren gingen.
Wichtigste Erkenntnis: Die Reichweite und Zuverlässigkeit von LoRaWAN wird stark von physischen Hindernissen und potenziellen elektromagnetischen Störungen beeinflusst, was die Bedeutung der strategischen Platzierung von Gateways zur Leistungsoptimierung unterstreicht.
Bedeutung der Höhe des LoRa-Gateways
In der nächsten Testreihe haben wir uns auf die Höhe des Gateways konzentriert. In der LoRa-Community ist die weit verbreitete Meinung, die durch viele Artikel und Handbücher gestützt wird, dass eine Erhöhung des Gateways sowohl die Übertragungsreichweite als auch die Zuverlässigkeit verbessert. Um diese Theorie zu überprüfen, haben wir zwei verschiedene Aufbauten miteinander verglichen: In Testfall 3 wurde das Gateway 60 Meter über dem Boden auf dem Olymp in München platziert, während es in Testfall 4 nur 1 Meter über dem Boden am Fuße des Berges positioniert wurde.
Testfall 3: Gateway 60 Meter über dem Boden positioniert
Im Testfall 3 ergab die Konfiguration eine beeindruckende Reichweite von fast 5 km, was der im Wisgate-Datenblatt für städtische Gebiete empfohlenen maximalen Reichweite entspricht. Obwohl es einige Paketverluste gab, war die Übertragung insgesamt deutlich zuverlässiger als im Testfall 1. Am am weitesten entfernten Messpunkt stieg der Paketverlust jedoch auf 84 %, was dazu führte, dass 5 von 6 Paketen verloren gingen, sodass keine weiteren Übertragungen möglich waren.
Testfall 4: Gateway 1 Meter über dem Boden positioniert
Für diesen Test wurde das Gateway lässig auf einer Bank direkt neben dem Olympiaberg platziert und dieselbe Route erneut durchlaufen. Diese Konfiguration ergab eine viel bescheidenere Reichweite von 1,75 km. Dies übertraf zwar Testfall 1, war aber deutlich weniger als die Hälfte der in Testfall 3 erreichten Reichweite.
Vergleich der Testfälle 3 und 4
Der starke Kontrast zwischen diesen beiden Testfällen unterstreicht den tiefgreifenden Einfluss der Gateway-Höhe auf die Leistung von LoRaWAN. Die erhöhte Position im Testfall 3 – 60 Meter über dem Boden – zeigte eine Steigerung der Reichweite. Bemerkenswerterweise erreichte diese erhöhte Aufstellung eine Reichweite, die mit der in ländlichen Gebieten vergleichbar war, wo eine klare Sichtverbindung zwischen Gateway und GPS-Tracker leichter aufrechtzuerhalten war, obwohl das Gateway in der ländlichen Umgebung viel niedriger platziert war.
Andererseits zeigte Testfall 4 die Einschränkungen auf, die durch eine niedrige Gateway-Platzierung entstehen. Die potenzielle Reichweite war mehr als halb so groß wie bei einer höheren Gateway-Position im Testfall 3.
Wichtige Erkenntnisse
Anhand der Ergebnisse aus den Testfällen 1, 3 und 4 können wir mit Sicherheit bestätigen, dass sowohl Hindernisse in der Sichtlinie als auch die Höhe des Gateways wichtige Faktoren für die Übertragungsreichweite und Zuverlässigkeit von LoRaWAN-Systemen sind. Eine erhöhte Platzierung des Gateways kann die nutzbare Reichweite erheblich vergrößern, während Hindernisse und eine niedrigere Platzierung die Leistung erheblich beeinträchtigen können.
Der Unterschied bei Antennen und ihre Auswirkung auf die Reichweite
Da wir wissen, dass Höhe und Sichtlinie die Kommunikationsreichweite zwischen IoT-Geräten und dem LoRa-Gateway erheblich beeinflussen, haben wir unseren Fokus auf einen anderen Faktor verlagert: den Einfluss der Antennenqualität auf die Reichweite und Zuverlässigkeit eines Geräts innerhalb des LoRa-Netzwerks. Um dies zu beurteilen, haben wir drei Tests an einem ähnlichen Standort durchgeführt und dabei die maximale Reichweite mit verschiedenen Antennen gemessen. Die Ergebnisse aller drei Tests sind im Testfall 5 zusammengefasst.
Testfall 5: Unterschiedliche Antennen, gleicher Standort
Testfall 5 bietet Einblicke in die Frage, wie eine Antenne mit hohem dBi-Gain und hoher Qualität die Signalreichweite zwischen dem Gateway und den IoT-Geräten verstärken kann. Obwohl die zusätzliche Reichweite, die mit der 5-dBi-Glasfaserantenne erzielt wird, auf den ersten Blick gering erscheinen mag, bedeutet sie eine satte Verbesserung der Reichweite um 75 % im Vergleich zur Standardantenne. Diese Verbesserung ist bemerkenswert, wenn man bedenkt, dass der Test mit hohem dBi-Wert mit Gebäudehindernissen zu kämpfen hatte, während der Standardtest eine weitestgehend freie Sichtlinie hatte.
Eine bessere Antenne kann zwar die Reichweite und Zuverlässigkeit erheblich verbessern (hauptsächlich durch einen geringeren Paketverlust bis zu 1500 Metern), ist aber nicht so wirkungsvoll wie die Aufrechterhaltung der Sichtlinie oder die erhöhte Anbringung des Gateways. Es ist auch erwähnenswert, dass die Glasfaserantenne mit einem Durchmesser von 2,5 cm und einer Höhe von 60 cm für einige IoT-Anwendungsfälle möglicherweise zu groß ist.
Fazit und Zusammenfassung
Insgesamt erweist sich LoRaWAN als ausgezeichnete Wahl für die Übertragung über große Entfernungen in ländlichen und offenen Gebieten – insbesondere dort, wo das Gateway in Höhen von mehr als 50 Metern positioniert werden kann und eine klare Sichtlinie durchgehend aufrechterhalten werden kann.
In städtischen Umgebungen steht LoRaWAN jedoch vor Herausforderungen. Selbst bei einer Gateway-Platzierung in Höhen von über 50 Metern liegt die typische Reichweite, wie durch mehrere Tests und Berichte belegt, zwischen 2 km und 5 km. Das kritischste Problem, das die Zuverlässigkeit von LoRaWAN in städtischen Umgebungen untergräbt, ist der unvorhersehbare Paketverlust und die Inkonsistenz der Übertragung, wenn die Sichtverbindung beeinträchtigt ist oder wenn das Netzwerk Störungen durch Hochspannungsleitungen oder Lärm von Maschinen ausgesetzt ist, insbesondere in industriellen Umgebungen.
Dennoch kann LoRaWAN in städtischen Umgebungen, in denen IoT-Geräte stationär sind und die RSSI-Gesamtwerte über -80 dBm liegen (der Schwellenwert, bei dem in unseren Tests erstmals starke Paketverluste beobachtet wurden), als zuverlässige Lösung dienen.
Durch die Aufrüstung auf bessere Antennen kann die Reichweite weiter erhöht werden, aber die Gewinne sind hier im Vergleich zu den Auswirkungen der Sichtverbindung und der Gateway-Höhe relativ bescheiden.
Für die Verfolgung von Anwendungsfällen in städtischen Umgebungen ist es eine Herausforderung, mit LoRaWAN und einem einzigen Gateway eine flächendeckende Abdeckung zu erreichen. Selbst wenn dies möglich wäre, wären die Kosten wahrscheinlich enorm. Um beispielsweise eine gleichmäßige Signalabdeckung in ganz München (mit einer Fläche von 310,71 km²) zu gewährleisten, müsste etwa alle 800 m² ein Wisgate-Gateway installiert werden. Dies würde bedeuten, dass etwa 311 Gateways installiert werden müssten, was Hardwarekosten von geschätzt über 150.000 Euro bedeuten würde – und diese Schätzung schließt Installations- und andere damit verbundene Kosten nicht ein.
Selbst wenn alle diese Gateways in einer Höhe von 60 Metern über dem Boden positioniert werden könnten, wäre die Gesamtzahl der erforderlichen Gateways mit über 70 Einheiten immer noch beträchtlich. Eine Infrastruktur dieser Größenordnung ist für die meisten Einsätze wahrscheinlich nicht praktikabel, wenn sie sich auf einzelne Anwendungsfälle beschränken. Für eine größere Zahl von Anwendungsfällen oder beschränkten Flächen wie beispielsweise Industrieanlagen bietet sich LoRaWAN hingegen an, wenn die einschränkenden Faktoren wie Höhe der Gateways und Störungen durch elektromagnetische Emissionen mit berücksichtigt werden.
Dieser Artikel ist zu großen Teilen eine Übersetzung des Artikels „Key Influences in Tracking With Lorawan“.
