Ein gelungener Start in die Welt von Meshcore Teil 3 – Frequenzen und Ausbreitung – Physik ist bei LoRa alles

Im dritten Teil der Meshcore-Serie geht es um die Physik der Frequenzen und wie breiten sich diese aus.

Physik ist bei LoRa alles.

In Europa nutzen wir das lizenzfreie 868 MHz Band. Die Ausbreitung erfolgt quasi-optisch. Das bedeutet, das Signal verhält sich fast wie Licht. Das Wichtigste für hohe Reichweiten ist eine Sichtverbindung, die sogenannte LoS – Line of Sight.
Hinweis: In der Bluetooth-App gibt es ein Tool, dass einem die Line of Sight zwischen zwei Punkten anzeigt. Hier werden mögliche Hindernisse bei der Funkstrecke detailliert angezeigt.

Neben der Line of Sight gibt es noch die Fresnel-Zone.

Es reicht nicht, dass man das Ziel nur „sieht“! Ein ellipsenförmiger Bereich um die Sichtlinie muss frei von Hindernissen sein, um Signalverluste durch Beugung zu vermeiden.
Die Fresnel-Zone ist einer der am häufigsten unterschätzten Faktoren bei der Planung von LoRa-Strecken. Viele Anfänger denken: „Ich kann den anderen Node sehen, also habe ich Empfang.“ Das ist ein Trugschluss.

Was ist die Fresnel-Zone?

Stell dir die Funkverbindung zwischen zwei Antennen nicht als dünnen Laserstrahl vor, sondern als ein ellipsenförmiges (zigarrenförmiges) Kraftfeld. Obwohl die direkte Sichtlinie (Line of Sight – LoS) frei sein kann, wird das Signal abgeschwächt oder sogar ausgelöscht, wenn Hindernisse in diesen ellipsenförmigen Bereich ragen.

Das Funksignal breitet sich als Welle aus. Wenn ein Teil der Welle auf ein Hindernis (z. B. eine Hauskante oder den Boden) innerhalb der Fresnel-Zone trifft:

• Dann wird dieser Teil der Welle reflektiert. Er legt einen etwas längeren Weg zurück
  als der direkte Strahl.
• Er kommt am Empfänger leicht zeitversetzt an.

Praxisbeispiel Fresnel-Zone:

Nehmen wir eine Strecke von 5 km bei 868 MHz. Die Fresnel-Zone hat in der Mitte einen Radius von ca. 20 Metern.

Wenn deine Antennen auf 2 Meter hohen Masten im flachen Feld stehen, ragt der Erdboden massiv in die Fresnel-Zone hinein.

Ergebnis: Obwohl du den anderen Node theoretisch sehen könntest, wird die Reichweite drastisch sinken.

Das Problem: Wenn das reflektierte Signal „phasenverschoben“ eintrifft, kann es das Hauptsignal auslöschen (Interferenz). Das ist so, als würde man gleichzeitig „Ja“ und „Nein“ rufen – beim Empfänger kommt nur Rauschen an.

Lösung: Antennen so hoch wie möglich platzieren, um die Fresnel-Zone vom Boden und von Hindernissen „wegzuheben“.

Die 60%-Regel: Für eine stabile LoRa-Verbindung muss nicht die gesamte Ellipse frei sein, aber mindestens 60 % der ersten Fresnel-Zone müssen völlig frei von Hindernissen sein. Sobald mehr als 20 % blockiert sind, treten signifikante Signalverluste auf.

Dämpfung, Antennenhöhe und Überreichweiten.

• Dämpfung (Signal-Killer):
  Feuchtigkeit: Nasses Laub (Wälder im Regen) dämpft 868 MHz stark.
  Beton/Stahl: Gebäude blockieren das Signal fast vollständig.
  Erde: Hügel zwischen zwei Nodes sind unüberwindbar.

Antennenhöhe: Höhe ist durch nichts zu ersetzen, außer durch noch mehr Höhe.

Überreichweiten (Troposphärische Überreichweiten): Bei bestimmten Wetterlagen (Inversionswetterlagen) können Signale an Luftschichten reflektiert werden und hunderte Kilometer weit reisen. Das ist bei LoRa selten, aber möglich.

Im vierten Teil geht es um die Presets, also welche Voreinstellungen sind am besten zu nutzen um einen erfolgreichen Meshcore-Sende-und-Empfangsbetrieb zu ermöglichen?

Bei Fragen stehe ich euch gerne zur Verfügung. Entweder per Funk (DB0FT, DMR TG 26269) oder auch gerne per E-Mail (mario.jeschke@gmail.com)

73, dm1mj, Mario

Teil 1: Grundlagen – Was ist LoRa und woher kommt Meshcore?

Teil 2 – Wie wird eine Nachricht zwischen Companion- und Repeater-Nodes technisch versendet