LoRa-Airtime-Rechner

LoRa-Begriffe in einer Minute

Alle Begriffe der Eingabefelder oben, in der Reihenfolge, in der das Modem sie durchläuft.

Symbol

Die kleinste Sendeeinheit von LoRa. Ein Symbol ist ein Chirp über den ganzen Kanal und trägt SF Bit, bei SF7 also 7 Bit, bei SF12 zwölf. Es dauert 2^SF / BW, und auf dieser Dauer beruht jede Zeitangabe auf dieser Seite.

Chirp

Ein Ton, der gleichmäßig von einem Kanalrand zum anderen gleitet. Die Daten stecken darin, wo der Durchlauf beginnt und umschlägt. Deshalb lässt sich ein Chirp noch weit unter dem Grundrauschen decodieren, wo ein einfaches FSK-Signal längst verloren ist.

Spreizfaktor (SF)

Wie stark ein Symbol zeitlich gedehnt wird, von SF7 bis SF12. Jede Stufe verdoppelt die Symboldauer und bringt rund 2,5 dB mehr Empfindlichkeit. Die Reichweite wächst, die Airtime wächst mit.

Bandbreite (BW)

Die Breite des Kanals, den der Chirp durchläuft, meist 125, 250 oder 500 kHz. Doppelte Bandbreite halbiert die Airtime und kostet etwa 3 dB Empfindlichkeit, denn der Empfänger nimmt doppelt so viel Rauschen auf.

Coderate (CR)

Wie viel Vorwärtsfehlerkorrektur die Nutzlast mitbekommt, von 4/5 bis 4/8. Bei 4/8 sendet das Modem doppelt so viele Bit, wie Sie ihm gegeben haben. Das ist die robusteste und zugleich langsamste Einstellung.

Low Data Rate Optimization (LDRO)

Eine Modem-Einstellung für sehr lange Symbole. Sie nimmt jedem Symbol 2 Bit weg, damit Quarzdrift das Symbolende nicht verfälscht. Das SX1276-Datenblatt schreibt sie ab 16 ms Symboldauer vor, und beide Seiten müssen gleich eingestellt sein.

Präambel

Die Chirps vor jedem Paket, an denen ein Empfänger das Signal findet und einrastet. Ihre Länge stellen Sie selbst ein, LoRaWAN nutzt 8, und das Modem hängt immer 4,25 weitere Symbole für Sync-Wort und Rahmenkennung an.

Duty-Cycle

Der Anteil jeder Stunde, den ein Gerät in einem Teilband senden darf. 1 % sind 36 Sekunden pro Stunde. Er begrenzt, wie oft Sie senden dürfen, nicht wie schnell das Modem sendet, solange es sendet.

So funktioniert es

1. 01

   Symboldauer bestimmen

   LoRa spreizt ein Symbol über 2^SF Chips, die mit der Bandbreite gesendet werden. Ein Symbol dauert also T_sym = 2^SF / BW. Bei SF7 und 125 kHz sind das 1,024 ms, bei SF12 sind es 32,768 ms. Jede Stufe im Spreizfaktor verdoppelt den Wert, die Nutzlast ändert daran nichts.

2. 02

   Präambel dazurechnen

   Der Sender schickt die eingestellten Präambelsymbole plus feste 4,25 Symbole für Sync-Wort und Rahmenkennung. Mit dem LoRaWAN-Standard von 8 ist die Präambel 12,25 Symbole lang. Diesen Fixanteil zahlt jedes Paket, egal wie kurz die Nutzlast ist.

3. 03

   Nutzlast-Symbole zählen

   Die Nutzlast wird verschachtelt und codiert. Ihre Länge in Symbolen hängt deshalb von den Nutzlast-Bytes ab, vom Spreizfaktor, von der Coderate, vom Header-Modus, vom CRC und vom Zustand der Low Data Rate Optimization. Die Datenblatt-Formel unten liefert diese Zahl.

4. 04

   Gegen den Duty-Cycle prüfen

   Die gesamte Symbolzahl mal Symboldauer ergibt die Time on Air. Geteilt durch die Duty-Cycle-Grenze ergibt sie den Mindestabstand. Ein 1-%-Kanal erlaubt 36 Sekunden Sendezeit pro Stunde. Ein Paket von 56,6 ms darf sich also frühestens alle 5,66 Sekunden wiederholen.

Formeln

Rechenbeispiel

FAQ

Warum ist SF12 so viel langsamer als SF7?

Die Symboldauer verdoppelt sich mit jeder Stufe. Ein SF12-Symbol dauert also 32-mal so lang wie ein SF7-Symbol. Gleichzeitig trägt jedes Symbol mehr Bits, sodass dieselben 20 Byte in 28 statt 43 Symbole passen. Zusammen wird das Paket rund 23-mal länger: 56,6 ms bei SF7 gegenüber 1,32 s bei SF12.

Was ist die Low Data Rate Optimization (LDRO)?

Eine Modem-Einstellung, die jedem Symbol 2 Bit wegnimmt, damit Quarzdrift über ein sehr langes Symbol die letzten Bits nicht verfälscht. Das SX1276-Datenblatt schreibt sie vor, sobald die Symboldauer 16 ms übersteigt, also bei SF11 und SF12 mit 125 kHz und bei SF12 mit 250 kHz. Sie kostet Airtime, und Sender und Empfänger müssen gleich eingestellt sein.

Ist die Nutzlast hier meine LoRaWAN-Nutzlast?

Nein. Hier zählt die PHY-Nutzlast, die der Funkchip sendet. Ein LoRaWAN-Uplink nach 1.0.x belegt davon 13 Byte für MAC-Header, Geräteadresse, Frame-Control, Frame-Zähler, Port und Prüfsumme. Von 20 Byte bleiben also 7 Byte Anwendungsdaten. MAC-Kommandos in den Frame-Optionen brauchen zusätzlich Platz.

Was erlaubt 1 % Duty-Cycle in der Praxis?

Ein Prozent jeder Stunde, also 36 Sekunden Sendezeit. Ein Paket von 56,6 ms passt 636-mal hinein, mit mindestens 5,66 Sekunden zwischen zwei Paketstarts. Die Grenze gilt pro Teilband, nicht pro Gerät. Verkehr auf mehrere Kanäle zu verteilen hilft also. Netzbetreiber sind oft strenger. The Things Network erlaubt 30 Sekunden Uplink-Airtime pro Gerät und Tag.

Warum ändert der Duty-Cycle die Bitrate nicht?

Weil beide unterschiedliche Fragen beantworten. Die Bitrate ergibt sich allein aus den Modem-Einstellungen. Spreizfaktor, Bandbreite und Coderate legen fest, wie viele Bit pro Sekunde die Antenne verlassen, solange ein Paket läuft. Der Duty-Cycle begrenzt dagegen, wie viel jeder Stunde Sie überhaupt senden dürfen. Bei 1 % senden Sie weiterhin mit 5 469 bit/s, aber nur 36 Sekunden lang. Genau das zeigen Mindestabstand, Nachrichten pro Stunde und mittlerer Durchsatz.

Bringt 500 kHz Bandbreite etwas?

Bei gleichem Spreizfaktor viertelt sie die Airtime, denn die Symboldauer geht umgekehrt mit der Bandbreite. Der Empfänger nimmt dafür das Vierfache an Rauschen auf. Die Empfindlichkeit sinkt um etwa 6 dB, die Reichweite entsprechend. Auch die Regionalpläne begrenzen sie. EU-868-Uplinks laufen mit 125 kHz, und 250 kHz gibt es nur auf einem Kanal.

Passende Anleitungen

• Funkabdeckung planen — wohin das Gateway gehört, wenn feststeht, was der Node senden kann
• LOS oder RF: welche Analyse brauchen Sie? — Airtime bestimmt, wie oft Sie senden. Ob es ankommt, entscheidet das Gelände

Quellen & weiterführende Links

• Semtech SX1276/77/78/79 datasheet ↗ — Abschnitt 4.1.1.7 „Time on air“ mit den hier verwendeten Gleichungen für Symbol, Präambel und Nutzlast sowie der 16-ms-Regel für die Low Data Rate Optimization
• Semtech AN1200.13 — LoRa Modem Designer’s Guide (SX1272/3/6/7/8) ↗ — dieselben Zeitgleichungen mit durchgerechneten Entwurfsbeispielen. Semtech führt sie im Reiter „Documents“ der SX1272-Seite als „AN1200.13 and AN1200.17: LoRa Modem Design“ und liefert sie als ZIP mit beiden Notes aus
• ETSI EN 300 220-2 V3.3.1 — Short Range Devices (SRD), 25 MHz to 1 000 MHz ↗ — die harmonisierte Norm hinter den Grenzen von 0,1 %, 1 % und 10 % in den europäischen 868-MHz-Teilbändern
• The Things Network — Duty Cycle ↗ — die Teilbandgrenzen in der Praxis, dazu die Fair-Use-Regel für die Uplink-Airtime pro Gerät

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