Was sind die Frequenzbänder für LoRaWAN?

LoRaWAN und LoRa sind beliebt als Stromsparendes Weitverkehrsnetz (LPWAN)-Lösungen zur Realisierung von Internet-of-Things (IoT)-Anwendungen. Trotz seiner weltweiten Anerkennung gibt es jedoch unterschiedliche Frequenzbänder für den Betrieb. In diesem Artikel werden wir die treibende Kraft für eine solche Trennung und die Notwendigkeit einer solchen Trennung in Frequenzbändern untersuchen. Abschließend werden wir einige dieser in verschiedenen Regionen genutzten Frequenzbänder diskutieren. 

LoRa-Allianz und Standard 

Wie wir alle wissen, LoRa ist ein beliebtes Funkmodulationsverfahren, das häufig für LPWAN-IoT-Anwendungen verwendet wird. Wir haben in früheren Artikeln verschiedene Aspekte von LoRa- und LoRaWAN-Netzwerken diskutiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LoRa- und LoRaWAN-Netzwerke aufgrund ihrer großen Reichweite und des geringen Stromverbrauchs der Geräte weit verbreitet sind.  

LoRa und LoRaWAN werden von der LoRa Alliance and Standards beaufsichtigt und reguliert, der weltweit über 500 Kooperationspartner und viele Netzbetreiber angehören. Semtech war ein Gründungsunternehmen der LoRa Alliance, die für die Einführung der LoRa-Funkmodulation verantwortlich ist. Diese wurde 2015 gegründet, um LoRaWAN-basierte Anwendungen für massive IoT- und Machine-to-Machine (M2M) Anwendungen. Die Vision der LoRa Alliance ist es, nachhaltiges IoT zu ermöglichen, um die Effizienz zu maximieren, und ihre Mission ist es, massives IoT durch die weltweite Einführung der LoRaWAN-Technologie zu erreichen. Neben der Standardisierung ist die LoRa Alliance auch für die Förderung von LoRa-basierten Massive-IoT-Anwendungen sowie für die Durchführung von Webinaren und Videokonferenzen zuständig. Diese Informationen können abgerufen werden über https://lora-alliance.org/about-lora-alliance/# . 

Trotz der weltweiten Vereinheitlichung durch Allianzen wie die LoRa Alliance gibt es jedoch in verschiedenen Regionen unterschiedliche Betriebsfrequenzen für LoRa- und LoRaWAN-Anwendungen. Die treibende Kraft für diesen Unterschied ist ausschließlich eine Präferenz der Netzbetreiber in der Region, die auf der Verfügbarkeit und der Erfüllung regulatorischer Anforderungen beruht. 

Nicht lizenziertes Frequenzspektrum der LoRaWAN-Modulation 

Die Verwendung von lizenzierten oder nicht lizenzierten Kanälen ist einer der wichtigsten Faktoren, die bei der Entwicklung eines privaten drahtlosen Netzwerks zu berücksichtigen sind. Die meisten der frühen drahtlosen IoT-Kommunikationsnetze, wie z. B. Mobilfunknetze, arbeiten mit lizenzierten Frequenzen. Die Nutzung lizenzierter Frequenzen erfordert zusätzliche Kosten für die Lizenzierung und bietet dem Nutzer nur eine begrenzte Flexibilität in Bezug auf das Spektrum. Daher sind die meisten IoT-Anwendungsfälle auf unlizenzierte Frequenzen angewiesen. Unlizenzierte Frequenzen im 2.4 GHz und 5 GHz-Bänder werden von Wi-Fi und Bluetooth verwendet. Die Reichweite der Gateways beträgt nur wenige Meter, und diese Frequenzen sind so überlastet, dass sie große Zuverlässigkeitsprobleme verursachen. 

Um unnötige Einschränkungen aufgrund von Interferenzen und Störungen in den Bändern 2,4 GHz und 5 GHz zu vermeiden, verwendet LoRaWAN unlizenzierte Sub-Gigahertz-Funkfrequenzbänder wie 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Europa) und 915 MHz (Nordamerika). Diese Niederfrequenzbänder unterstützen niedrige Datenraten zwischen 0,3 und 50 kbit/s. Die Verwendung von Sub-Gigahertz ermöglicht die Verbindung von weit entfernten Geräten bis zu einer Reichweite von 10 km (6 Meilen). Diese Nutzung des unlizenzierten Sub-Gigahertz-Frequenzspektrums ermöglicht kostengünstige LoRaWAN-Einrichtungen. 

Warum unterschiedliche Frequenzbänder für verschiedene Regionen? 

Obwohl nicht alle Kanalbreiten in jeder Region unterstützt werden, wird LoRaWAN je nach Region häufig in Kanalbreiten von 125, 250 oder 500 kHz unterteilt. Der Hauptgrund für diese Unterteilung sind regulatorische Anforderungen, die je nach Region erfüllt werden müssen. 

Diese unterschiedliche Frequenzzuweisung ist in den LoRaWAN Regional Parameters RP2-1.0.3 beschrieben, die im Mai 2021 veröffentlicht wurden. Trotz der Verwendung unterschiedlicher Betriebsfrequenzen sind die LoRaWAN-Protokollspezifikationen für alle Regionen intakt. Mehr zu diesen unterschiedlichen Frequenzbändern im nächsten Abschnitt. 

LoRaWAN-Frequenzbänder in verschiedenen Regionen 

Im Folgenden werden die verschiedenen Frequenzzuweisungen für LoRaWAN-Anwendungen in verschiedenen Regionen diskutiert. Im Folgenden finden Sie eine regionale Übersicht über die Zuweisung. 

*EIRP: Effektive isotrope Nennleistung 

Untersuchen wir nun einige der wichtigsten regionalen Parameter aus der obigen Zusammenfassung. 

1. EU863-870 Band 

Dies gilt für die von der ETSI-Norm [EN300.220] definierten Regionen, die in allen europäischen Ländern einschließlich außereuropäischer Länder wie Bahrain verwendet wird. Außerdem verwenden Länder wie Albanien einen etwas anderen Frequenzbereich (863-873 MHz).  

Im Frequenzband EU863-870 gibt es 16 Kanäle, von denen 3 Standardkanäle und 5 optionale Kanäle in der CF-Liste definiert sind. In diesem Frequenzband sind die folgenden drei Standardkanäle obligatorisch, da sie von den Endgeräten für die Übertragung der Join-Request-Nachricht verwendet werden: 

• 868.10 MHz-Kanal 
• 868,30 MHz-Kanal 
• 868,50 MHz-Kanal 

In Anbetracht der vom EU863-870-Band unterstützten Datenrate müssen alle Endgeräte die folgenden Datenratenoptionen im Netz unterstützen. 

• DR0 - DR5: Dies ist die minimale Datenrate, die unterstützt wird, um die LoRaWAN-Zertifizierung zu erhalten. 
• DR0 - DR7 
• DR0 - DR11: Alle Datenraten sind im Endgerät implementiert 

Abhängig von dieser Datenrate gibt es für verschiedene Datenraten eine maximale Größe der Anwendungsnutzlast. Diese sind im Folgenden aufgeführt: 

2. US902-928 Industrielles, wissenschaftliches und medizinisches Band (ISM) 

Dies gilt für Regionen in den USA, Kanada und allen anderen Ländern, die die Nummern 902-928 verwenden. ISM-Band. 

Es gibt 64 Upstream-Kanäle mit einer Bandbreite von 125 kHz und 8 Upstream-Kanäle mit einer Bandbreite von 500 kHz. Außerdem gibt es 8 Downstream-Kanäle mit einer Bandbreite von 500 kHz. Wie im EU863-870-Band gibt es obligatorische Kanalfrequenzen, die für Join-Requests verwendet werden. Diese sind: 

• Upstream: 64 Kanäle - 902,3-914,99 MHz in 200-kHz-Schritten 
• Upstream: 8 Kanäle - 903,0-914,2 MHz in 1,6 MHz-Schritten 
• Downstream: 8 Kanäle - 923,3-927,5 MHz in 600-kHz-Schritten 

Die unterstützten Datenratenoptionen in diesem Band sind: 

• DR0 - DR4 und DR8 - DR13: Dies ist die minimale Datenrate, die für eine LoRaWAN-Zertifizierung erforderlich ist. 
• DR0 - DR13: Alle Datenraten sind im Endgerät implementiert 

Je nach Datenrate werden maximale Nutzdatengrößen unterstützt, die bei DR15 bis zu 242 Byte betragen. 

Da wir nun über zwei Hauptfrequenzbänder gesprochen haben, die in verschiedenen Regionen für LoRaWAN verwendet werden, ist es sinnvoll, einige Standardeinstellungen für alle Regionen anzugeben. Die RX1-Verzögerung für alle Bänder beträgt 1s und für die RX2-Verzögerung beträgt sie 2s. Außerdem beträgt die Verzögerung für Join Accept 1 5s und für Join Accept 2 6s. Weitere Informationen zu den verschiedenen Bändern sind abrufbar unter https://lora-alliance.org/resource_hub/lorawan-regional-parameters-v1-1ra/ . 

Schlussfolgerung 

In diesem Artikel haben wir kurz den Bedarf an verschiedenen Frequenzbändern für LoRaWAN erörtert und warum speziell unlizenzierte Frequenzbereiche für LoRaWAN verwendet werden. Dementsprechend können wir abschließend sagen, dass LoRaWAN weltweit als guter Kandidat für die Realisierung von LPWAN-Netzwerken anerkannt wurde, obwohl in verschiedenen Regionen je nach Verfügbarkeit und Vorschriften unterschiedliche Frequenzbänder verwendet werden.