Für maximale LoRaWAN Reichweite: Gateways und Sensoren richtig positionieren

Immer häufiger sollen Funkverbindungen für die Datenübertragung eingesetzt werden, da sie einen flexiblen Umgang mit den Endgeräten ermöglichen und das aufwändige Verlegen von Kabeln ersparen. Doch trotz reichweitenstarker Funktechnologien wie LoRa kann die Verbindung zwischen Sensoren und Gateways instabil sein. 

Verlorene Datenpakete oder verkürzte Batterielebensdauer von Funksensoren sind oft auf schlechte Funkverbindung zurückzuführen. Die wiederum liegt oft an der falschen Handhabung von Gateways und Antenne bzw. an schlechter Positionierung und fehlendem Wissen über die Ausbreitung von Signalen. Damit Sie die häufigsten Fehler vermeiden und das Maximum an Reichweite und Stabilität aus Ihrem LoRaWAN herausholen, erklären wir hier einige Grundlagen und geben praxiserprobte Tipps.

Mehr Informationen zur den Vorteilen der Technologie und Einsatzgebieten  im Bereich IoT finden Sie unter LoRa Funk.

LoRa Reichweite in Theorie und Praxis

In den Herstellerangaben von LoRaWAN-Modulen bzw. bei allgemeinen Informationen über LoRaWAN wird meist eine Reichweite von 15km angegeben. Dies ist jedoch nur eine grobe Abschätzung unter sehr guten Bedingungen. Zum Beispiel bei vorhandener Sichtverbindung, keinerlei Hindernissen in der Funkstrecke und einem flachen Terrain.

Sie haben sogar schon von 50km oder 70km LoRa Reichweite gelesen? Das ist tatsächlich möglich, allerdings unter Bedingungen, die bei den meisten Anwendungsfällen unrealistisch sind: Das Gateway wird in mindestens 100m Höhe montiert, es besteht Sichtverbindung, es herrschen absolut perfekt, atmosphärische Bedingungen und der Sensor ist gegenüber seiner Umgebung ebenfalls erhöht platziert.

In realen Umgebungen, beispielsweise in Industriehallen oder in Bürogebäuden, sind solche Reichweiten nicht möglich. Je nach Gegebenheiten sind in Gebäuden 200m bis 500m und im Außenbereich (Betriebsgelände, etc.) bis 5km Reichweite möglich.

Was Antennen und Donuts gemeinsam haben

Mithilfe von Antennen werden bekanntermaßen Signale gesendet und empfangen, oder exakter formuliert: elektromagnetische Wellen abgestrahlt und detektiert. Diese Fähigkeit ist bei Antennen nicht in jede Richtung gleichmäßig ausgeprägt. Je nach Antennentyp wird in bestimmten Richtungen besser oder schlechter gesendet und empfangen. Das wird mit dem Begriff Abstrahlcharakteristik beschrieben.

Bei der am häufigsten eingesetzten Antennenform, der Stabantenne, breiten sich die ausgesendeten Wellen Donut-förmig aus. Als Sendeantenne strahlt diese den Großteil der Leistung seitlich ab, jedoch nur wenig nach oben und unten.

Nachdem die Charakteristik einer Antenne sowohl für das Senden als auch das Empfangen gleichermaßen gilt, kommt auch bei der Detektion von Signalen das Donut-Modell zur Anwendung: seitlich neben der Antenne wird sehr gut, oben oder unten eher schlecht empfangen.

Gateways optimal positionieren

Die Abstrahlcharakteristik der Antenne muss bei der Gatewaypositionierung berücksichtigt werden. In folgenden Überlegungen wird von einer Stabantenne ausgegangen.

Indoor-Nutzung auf einer Ebene

Sollen Sensoren in einer Ebene (z.B. in einer Halle, ein Stockwerk, etc.) empfangen werden, muss die LoRa-Antenne am Gateway vertikal montiert werden. Der Standort sollte ideal mittig in der abzudeckenden Fläche sein.

Laut Antennencharakteristik scheint es als ob der oberste Sensor vom Gateway nicht empfangen werden kann, da dieser nicht im abgedeckten Bereich der Antenne liegt.  Allerdings wird das Signal des Sensors an den Wänden gestreut und reflektiert, so dass ein Teil des Signals an der Gateway-Antenne ankommen wird.

Indoor-Nutzung über mehrere Ebenen

Möchte man mehrere Ebenen bzw. Stockwerke mit einem Gateway abdecken, sollte das Gateway mittig im Gebäude platziert werden und, wie in der Abbildung ersichtlich, die Gateway-Antenne horizontal (!) ausgerichtet werden. Die Funkwellen breiten sich auf Basis der gegebenen Antennencharakteristik (Donut-ähnlich) vorwiegend nach oben und unten aus. So werden alle Stockwerke bestmöglich abgedeckt.

Gateway außerhalb des Gebäudes

Eine weitere Möglichkeit ist es, das Gateway außerhalb des Gebäudes zu platzieren und die Antenne vertikal auszurichten. So kann von außen in mehrere Stockwerke horizontal “hinein gefunkt” werden. Dabei profitiert man von der niedrigeren Dämpfung der Fenster im Vergleich zu Beton-/Stahlbeton-Zwischendecken.

Positionierung im Außenbereich

Im Außenbereich ist darauf zu achten, dass das Gateway in ausreichender Höhe angebracht wird und in nächster Nähe von nichts verdeckt wird. Je höher das Gateway positioniert wird, desto weiter reicht die LoRa-Verbindung. Ideal wäre also ein frei stehender Mast, an dem das Gateway montiert ist.

Die Höhe muss jedoch relativ zur Entfernung der Sensoren gewählt werden, da direkt unter bzw. nicht im Abstrahlkegel des Gateways nicht ideal empfangen werden kann.

Da das Gateway nicht immer freistehend angebracht werden kann, sollte eine andere erhöhte Position gewählt werden (z.B. Dach, Balkon, aus Fenster in oberem Stockwerk). Dabei muss natürlich die Abschattung durch Gebäude, Mauern oder Ähnliches beachtet werden. In Richtung der Abschattung ist die Empfangsleistung eingeschränkt.

Wenn möglich sollte eine Sichtverbindung zwischen Gateway und Sensor angestrebt werden, um die bestmögliche Verbindung zu erreichen. Jedoch können Signale auch über gestreute Pfade (über Umwege) empfangen werden, diese sind jedoch stark abgeschwächt.

Montage von Gateway und Sensoren

Die Reichweite von Sensoren/Gateways kann bei Beachtung von einigen Grundregeln erheblich gesteigert werden. Jedes Objekt direkt in der Nähe eines Senders beeinflusst das Sendeverhalten negativ. Je geringer der Abstand vom Objekt zum Sensor/Gateway, desto stärker wirkt sich dieses auf das Sendeverhalten aus, da die Strahlung dadurch abgeschwächt wird.

Werden Sensoren oder Gateways direkt an Wänden montiert, sollte man zur Reichweitenoptimierung folgendes beachten:

• Die Sensoren/Gateways nicht direkt am Boden montieren. Eine Montagehöhe von mind. 1,5m dient als Richtwert.
• Die Sensoren/Gateways in einem Abstand von 20cm zur Wand montieren.
• Sofern das Hindernis, also z.B. eine Wand, eine Öffnung (z.B. Fenster) aufweist, dann die Geräte am besten dort anbringen.

Ein LoRaWAN in schwieriger Umgebung aufbauen

Möchte man in schwieriger Umgebung ein LoRaWAN aufbauen und kann diese nicht verändern, besteht immer noch die Möglichkeit mehrere Gateways strategisch so zu positionieren, sodass der gesamte Bereich abgedeckt werden kann. Da moderne LoRa Gateways die Sensordaten via LTE an eine IoT-Plattform übertragen können, sind auch Installation und Betrieb mehrerer Gateways einfach und kostengünstig möglich.

Außerdem helfen spezielle LoRaWAN-Nodes, die die Übertragungsstärke visualisieren und mit denen der abzudeckende Bereich vermessen werden kann. So können frühzeitig Bereiche ermittelt werden, in denen ein weiteres LoRaWAN-Gateway nötig ist, um ein flächendeckendes Netzwerk zu errichten.

Für mehr Informationen dazu freuen wir uns, wenn Sie mit uns Kontakt aufnehmen!