Ein sub-GHz-Funkmodul überbrückt Kilometer auf derselben Knopfzelle, die ein Kurzstreckenfunk schon im Raum leert, und erreicht diese Distanz durch den bewussten Tausch von Datenrate gegen Linkbudget, nicht durch höheren Stromverbrauch. Die Reichweite wird mit Physik erkauft, und mit der Art, wie das Signal kodiert wird.

Dieser Tausch prägt den gesamten Charakter des Bands. Ein Sensor auf einer sub-GHz-Verbindung kann auf einem Feld, in einem Keller oder in einem überfluteten Schacht sitzen und trotzdem ein Gateway in der nächsten Ortschaft erreichen, solange er wenig zu übertragen hat und auf seinen Sendezeitpunkt warten kann. Die Bauteile, die das leisten, sind günstig und stromsparend, und die Grenzen, die damit einhergehen, sind sowohl in die Funkvorschriften als auch in das Silizium eingeschrieben.

Warum eine niedrigere Frequenz weiter trägt

Zwei Effekte überlagern sich und verleihen sub-GHz seine Reichweite. Eine niedrigere Trägerfrequenz verliert beim Durchdringen von Wänden und beim Beugen um Gelände weniger Energie als ein 2,4-GHz-Signal, sodass dieselbe Sendeleistung am fernen Ende mehr von sich selbst ankommen lässt, und der praktische Unterschied über ein bebautes Gebiet oder einen Baumbestand ist erheblich, nicht marginal. Die niedrigere Frequenz verlangt im Gegenzug eine längere Antenne, da ein Viertelwellenelement bei 868 MHz rund acht Zentimeter misst, verglichen mit ein paar Zentimetern bei 2,4 GHz. Das ist eine reale Einschränkung an einem kleinen Knoten und eine der ersten Anforderungen, für die ein sub-GHz-Design Platz schaffen muss. Der Antennenwirkungsgrad zählt dabei ebenso viel wie die Länge: Eine zu kurze oder schlecht angepasste Antenne verschwendet das Linkbudget, das die niedrige Frequenz mühsam erarbeitet hat, und ein platzbeschränkter Knoten büßt dafür Reichweite ein, die auf dem Labortisch niemals sichtbar wird. Bei einem kompakten Knoten geben letztlich Massefläche und Freihaltebereich rund die Antenne das Platinenformat vor, mehr noch als der Funkchip selbst. Oberhalb der Physik liegt die Kodierung, und bei einer LoRa-Verbindung entsteht ein Großteil der Reichweite in der Kodierung.

LoRa verteilt jedes Bit über einen Chirp, der das Band überfegt, und ein Empfänger kann diesen Chirp aus dem Rauschen herauslösen, selbst wenn das Signal unterhalb des Rauschpegels liegt. Genau das ist der Trick, der die Distanz erkauft. Der Spreading Factor, von etwa 7 bis 12, legt fest, wie weit der Chirp gedehnt wird: Ein höherer Wert verwendet mehr Zeit pro Symbol, was die Empfängerempfindlichkeit in Richtung des bekannten Werts von rund minus 137 dBm hebt. Ein derart tiefes Linkbudget ist es, das aus wenigen zehn Milliwatt Kilometer macht. Der Preis wird in Zeit und Datenrate gezahlt. Ein höherer Spreading Factor bedeutet, dass jedes Symbol länger benötigt, sodass eine Nachricht, die bei niedrigem Faktor in Dutzenden von Millisekunden übertragen wird, bei hohem Faktor knapp eine Sekunde in Anspruch nehmen kann, und die Rate sinkt von einigen Zehnerkilobit auf wenige hundert Bit pro Sekunde. Sendezeit ist die Währung, die zählt, für Energie und für das Teilen des Bands gleichermaßen. Eine Übertragung, die das Funkmodul für eine Sekunde bei hundert Milliampere aktiv hält, verbraucht reale Energie, weshalb Kilometer aus einer Knopfzelle zu erreichen nur deshalb funktioniert, weil das Gerät gelegentlich ein kurzes Datenpaket sendet und den Rest der Zeit bei einem Mikroampere schläft, und nicht weil das Funkmodul beim Senden sparsam wäre. Auch die Empfangsseite hat ihren Anteil: Ein offenes Empfangsfenster zum Abholen eines Downlinks kostet ebenfalls Strom, sodass ein Knoten, der häufig lauschen muss, einen Teil der senderseitig eingesparten Energie wieder abgibt. Das alles skaliert nicht so, wie Einsteiger erwarten, denn ein Hochsetzen des Spreading Factors zur Rettung einer grenzwertigen Verbindung kann die Sendezeit und die Energie pro Nachricht vervierfachen. Ab einem bestimmten Punkt kauft eine bessere Antenne oder ein sorgfältiger platziertes Gateway mehr Reichweite als ein weiterer Spreading-Factor-Schritt. Ein Netz, das sein Handwerk versteht, setzt auf Adaptive Data Rate (ADR), indem das Gateway jeden Knoten auf den niedrigsten Spreading Factor drosselt, den seine Verbindung noch trägt. Knoten in Gatewaynähe bleiben damit schnell und energiesparend, und nur die fernen zahlen den hohen Preis. Bandbreite ist der andere Stellknopf: Die übliche 125-kHz-Einstellung steht breiteren Optionen gegenüber, die Daten schneller übertragen, aber weniger empfindlich sind. Obendrauf liegt die Coding Rate für Fehlerkorrektur, sodass die tatsächliche Sendezeit eines Frames aus all diesen Parametern gemeinsam resultiert und nicht aus dem Spreading Factor allein. Die daraus resultierende Reichweite ist ein Planungswert, kein Versprechen: Offenes Gelände kann eine solche Verbindung weit über zehn Kilometer tragen, während eine dichte Stadt dasselbe Funkmodul auf ein bis zwei Kilometer begrenzen kann. Die einzig belastbare Zahl liefert eine Vermessung des realen Standorts. Eine solche Verbindung richtig zu dimensionieren bedeutet, Nutzlast und Meldeintervall zuerst festzulegen, die Sendezeit am Spreading Factor abzulesen, den die Reichweite erfordert, und erst dann zu prüfen, ob Akku und Bandvorschriften beides tragen.

Das Band selbst ist regional festgelegt. Ein Gerät für Europa arbeitet im 868-MHz-ISM-Band, eines für Nordamerika im 915-MHz-Band, und die beiden sind nicht austauschbar. Ein Produkt, das in beiden Märkten verkauft wird, trägt entweder ein umschaltbares Funkmodul oder zwei Bau-Varianten, die sich an der Antennenanpassung unterscheiden. Jedes Band definiert seine eigene Sendeleistungsobergrenze und seine eigenen Nutzungsregeln für das Spektrum, und diese Grenzen prägen ein Design ebenso verbindlich wie der Akku.

Der Preis der Reichweite

Die Sendeleistungsbegrenzung trifft am härtesten als Tastverhältnisdeckel. Ein Gerät im EU-Band 868 MHz darf möglicherweise nur etwa ein Prozent der Zeit senden. Das klingt großzügig, bis ein langer Frame bei hohem Spreading Factor fast eine Sekunde benötigt und der Knoten danach eine Minute oder länger schweigen muss, bevor er erneut senden darf. Das Meldeintervall wird damit ebenso sehr zu einer rechtlichen Anforderung wie zu einer Akkufrage, und es schließt gesprächige Designs, die auf Kurzstreckenverbindungen problemlos funktionieren, stillschweigend aus. Ein sub-GHz-Produkt wird daher von Anfang an auf wenige und seltene Übertragungen ausgelegt.

Die LoRa-Transceiver

Der LoRa-Transceiver, der die Produktkategorie definiert hat, ist der SX1276 mit seinem klassischen LoRa-Funkmodul, ein Bauteil, das einen sub-GHz-Transceiver mit dem LoRa-Modem kombiniert und über SPI mit einem Host-MCU kommuniziert. Es deckt die gängigen Bänder von 137 bis 1020 MHz ab, erreicht die tiefe Empfindlichkeit, für die die Technologie bekannt ist, und verfügt über eine so breite installierte Basis, dass ein darauf aufbauendes Design auf einen großen Pool an Referenzcode, Protokoll-Stacks und fertigen Modulen zurückgreifen kann. Das ist oft Grund genug, hier mit einem ersten Produkt anzufangen.

Die neuere Generation senkt Leistungsaufnahme und Baugröße in einem Maß, das bei Akkubetrieb ins Gewicht fällt. Der SX1262 reduziert den Empfangs- und Schlafstrom gegenüber dem Vorgänger, während er eine höhere Ausgangsleistung von rund 22 dBm in einem kleineren Gehäuse erreicht. Das ist der Grund, warum neue Designs dort ansetzen und warum ein langlebiges Produkt häufig einen Wechsel dorthin einplant. Es behält die gleiche SPI-Schnittstelle und eine eng verwandte Software-Schnittstelle bei, sodass es sich ähnlich wie der Vorgänger in einen Host integrieren lässt. Besonders der niedrigere Empfangsstrom hilft jedem Knoten, der ein Downlink-Empfangsfenster offen halten muss. Der Gewinn ist real genug, dass der ältere Transceiver heute überwiegend aus Kontinuitätsgründen gewählt wird, nicht für neue Designs.

Wo vollständige Bandabdeckung und maximale Reichweite nicht benötigt werden, sinkt der Preis weiter. Der LLCC68 ist ein kostenoptimiertes LoRa-Bauteil, das einige Spreading Factors und den Bandbereich seines Geschwisterteils aufgibt, um einen niedrigeren Preis zu erreichen. Das eignet sich für einen hochvolumigen Knoten, der in einer Region arbeitet und nie die längste Verbindung benötigt, die die Produktfamilie bieten kann.

Innerhalb der LoRa-Familie unterscheiden sich die Bauteile überwiegend durch Leistungsaufnahme und Preis, nicht durch die erreichbare Reichweite.

Sub-GHz jenseits von LoRa und die integrierten Bauteile

Nicht jede sub-GHz-Verbindung basiert auf LoRa, und für viele Aufgaben sollte sie das auch nicht. Der CC1101 ist ein Allzweck-sub-GHz-Transceiver, der einfaches FSK- und OOK-Modulation verwendet. Das eignet sich für ein kurzes proprietäres Protokoll über wenige hundert Meter, wo ein Gerät nicht die extreme Empfindlichkeit von LoRa benötigt und Sendezeit, Lizenzfragen sowie Komplexität möglichst gering halten möchte. Er ist seit Jahren in Fernbedienungen, Alarmsensoren und einfacher Telemetrie ein bewährtes Arbeitspferd, und seine einfache Modulation hält die Energie pro Nachricht niedrig, wenn die Reichweite überschaubar und der Funkkanal frei ist.

Für mehr Reichweite, ohne den vollen Weg zu LoRa zu gehen, schiebt der Si4463 eine sub-GHz-Verbindung weiter mit höherer Ausgangsleistung und einem empfindlichen Empfänger. Er positioniert sich zwischen einem einfachen Transceiver und einem vollständigen LoRa-Bauteil. Er passt in ein Design, das auf konventioneller Modulation etwa einen Kilometer erreichen will, zusammen mit der niedrigeren Sendezeit, die das mitbringt.

Das Muster, das sich bei BLE und WiFi vollzogen hat, wiederholt sich hier: Funk und MCU verschmelzen zu einem einzigen Bauteil. Der STM32WLE5 vereint einen LoRa-Funk und einen Cortex-M4 in einem Gehäuse, was die SPI-Verbindung und den zweiten Chip entfallen lässt, die Platine verkleinert und es Applikation sowie Funk erlaubt, eine gemeinsame Low-Power-Domäne und ein gemeinsames Toolset zu nutzen. Er eignet sich für einen Knoten, der von Anfang an auf LoRa ausgelegt ist, und bringt das Funkmodul in dasselbe STM32-Ökosystem, in dem viele Teams bereits arbeiten. Das verkürzt den Weg von einem vertrauten MCU zu einem vernetzten erheblich.

Eine zweite integrierte Option kommt aus einer anderen Lieferkette. Der ASR6601 bietet eine LoRa-SoC-Alternative, die das Modem mit einem MCU-Kern zu einem wettbewerbsfähigen Preis kombiniert. Das gewinnt Gewicht bei hochvolumigen regionalen Deployments, wo Kosten und eine nahe Lieferkette neben dem Funkmodul selbst eine Rolle spielen, und wo ein Design gegen ein Bauteil qualifiziert werden kann, das in großen Stückzahlen in Werknähe geliefert wird.

Das letzte Bauteil beantwortet eine Frage, die die anderen offen lassen: wo sich das Gerät befindet. Der LR1110 kombiniert LoRa mit Positionsbestimmung und fügt die Fähigkeit hinzu, GNSS- und WiFi-Signale zu scannen und über das Netzwerk eine Position zu ermitteln, anstatt einen vollständigen Satellitenempfänger auf dem Knoten zu betreiben. Das reduziert den Strom, den ein verfolgtes Objekt für die Eigenortung aufwendet, und verlagert die rechenintensive Auflösung weg vom Akku. Für einen Logistik-Tag oder einen Tierhaltungs-Tracker, der selten meldet und jahrelang halten muss, ist diese Kombination aus Langstreckenverbindung und energiesparender Positionsbestimmung nahezu das vollständige Produkt. Der Kompromiss liegt in der Genauigkeit: Eine Scan-and-Solve-Ortung ist gröber als ein dedizierter Empfänger, der lange genug läuft, um einzurasten. Das Bauteil eignet sich daher dafür, zu wissen, in welchem Hof oder Gebäude sich ein Objekt befindet, nicht dafür, es auf den Meter genau zu orten.