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M2M, Internet-of-Things: Mehr Reichweite im ISM-Band

Das Internet der Dinge braucht Funkverfahren, die mit wenig Leistung eine hohe Reichweite bieten, um Kosten für Infrastruktur und Wartung gering zu halten. Eine neue Funktechnik für das lizenzfreie ISM-Band ermöglicht bei niedrigen Daten­raten mobilfunkähnliche Distanzen.

Das ISM-Band ermöglicht hohe Reichweite mit wenig Leistung und niedriger Datenrate Bildquelle: © IMST

Das ISM-Band ermöglicht hohe Reichweite mit wenig Leistung und niedriger Datenrate.

Das Internet der Dinge (Internet of Things – IoT) ist der nächste Schritt hin zu umfassender Vernetzung von Maschinen und Geräten. Weil diese Geräte in der Regel kostensensitiv sind, muss die enthaltene Funktechnik für deutlich unter zehn Euro verfügbar sein. WLAN oder Mobilfunk ist hierfür meist zu kostspielig, sodass sich Funkmodule für die ISM-Frequenzbänder, die lizenzfrei genutzt werden können, anbieten. Allerdings ist bis dato der Einsatzbereich von ISM-Band-Funk durch die begrenzte Reichweite von nur einigen zehn Metern im Innenbereich zum Aufbau von Netzen sehr begrenzt.

Eine neue Funktechnik namens LoRa – Abkürzung für „Long Range“ – bietet im Vergleich zu klassischen Funksystemen im ISM-Band viel höhere Reichweiten, bis hin zu 15 km bei freier Sicht auf den Sender. Das Verfahren wurde von Semtech entwickelt und patentiert. Die hohe Reichweite ist dank eines Korrelationsmechanismus möglich, der auf Bandspreizungsverfahren basiert. Gefunkt wird im europäischen ISM-Band mit einer Trägerfrequenz von 868 MHz. Eine wesentliche Eigenschaft von LoRa-Funk-Transceivern ist die Entkopplung von Bandbreite und Bitrate. Mittels des Spreizfaktors kann das Verhältnis zwischen Bandbreite und Bitrate flexibel eingestellt werden. Hier sind Bandbreiten von 125 kHz, 250 kHz und 500 kHz möglich sowie Bitraten von 37,5 kBit/s bis herunter zu 290 Bit/s. Mit den hohen Spreizfaktoren lassen sich bei den nie­drigeren Bitraten Distanzen von mehr als 15 km überbrücken. Ein Übertragungskanal für einen Endknoten wird im Wesentlichen durch die eingestellte Frequenz und den Spreizfaktor charakterisiert. Optionen für Frequenzsprungverfahren und adaptive Frequenzselektion zur Erhöhung der Robustheit einer Funkverbindung können ebenfalls realisiert werden.

Einsatzbereich der neuen LoRa-Funktechnik ist die Sensorik, der eine moderate Bitrate genügt, die aber Daten über große Distanzen übertragen muss – beispielsweise in den Bereichen Agrarwirtschaft, Industrie, Logistik, Umwelttechnik, Verbrauchserfassung sowie Smart-Cities und im Smart-Home. Mit der LoRa-Funktechnik sind Funknetze möglich, die mit einer einzigen Funkzelle viele Quadratkilometer Fläche abdecken können. Pro Funkzelle sind Hunderte von Endknoten möglich, die allerdings dann auch alle in dieser Zelle harmonisiert und administriert werden müssen. Aufgrund der Orthogonalität der verwendeten Spreizsequenzen können verschiedene Nutzer auch eine Frequenz gemeinsam verwenden, solange sie ihre Daten mit unterschied­lichen Spreizsequenzen modulieren. Hiermit sind dann große Funkzellen mit Hunderten von Nutzern möglich.