Die Leistung von LoRaWAN-Gateway-Empfängern verstehen: Die drei wichtigsten Kennzahlen

Bei TEKTELIC entwickeln und implementieren wir seit über zehn Jahren LoRaWAN-Infrastruktur. In dieser Zeit haben wir Betreiber, Unternehmen, Energieversorger und Systemintegratoren unterstützt. Gateways auswählen Für jeden Standort, von ruhigen ländlichen Feldern bis hin zu überfüllten Stadtdächern. 

Eine Frage taucht immer wieder auf, wenn Teams Gateways vergleichen: Welches hat die beste Empfängerempfindlichkeit? Das ist eine berechtigte Frage. Aber es ist auch der falsche Ansatzpunkt. 

Die Empfängerempfindlichkeit eines Gateways wird laut Datenblatt in einem störungsfreien Labor gemessen. Ihr Netzwerk läuft jedoch nicht in einem solchen Labor. Es ist auf Dächern neben Mobilfunkantennen, auf Sendemasten, in Fabriken und in der gesamten Infrastruktur von Smart Cities aktiv. An diesen Orten herrschen zahlreiche starke und sich gegenseitig störende Funksignale. 

Mit diesem Artikel möchten wir Ihnen den Vergleich erleichtern. Wir erläutern Ihnen die drei Empfängerparameter, die die Leistung eines Gateways im praktischen Einsatz maßgeblich bestimmen: Rauschzahl, Empfängerempfindlichkeit und Empfängerlinearität. Außerdem zeigen wir Ihnen, warum das Gateway mit den besten Laborwerten nicht immer dasjenige ist, das Ihr Netzwerk am Laufen hält.  

Schlüssel zum Mitnehmen 

Die Empfängerempfindlichkeit gibt an, wie gut ein Gateway schwache Signale in einem störungsfreien Labor empfängt. Die Linearität zeigt, ob es diese Signale auch in der realen Umgebung, in der starke LTE-, 5G- und andere Funksignale vorhanden sind, noch zuverlässig empfängt. Die besten Gateways in Carrier-Qualität vereinen ein niedriges Rauschmaß, exzellente Empfindlichkeit, hohe Linearität und eine leistungsstarke HF-Filterung, um auch unter realen Einsatzbedingungen optimale Leistung zu erbringen. 

Inhalt dieses Artikels 

• Was ein LoRaWAN-Gateway leisten muss 

• Rauschzahl 

• Empfängerempfindlichkeit 

• Linearität 

• Wie die drei zusammenarbeiten 

• Drei Hörszenarien 

• Worauf man bei einem Gateway achten sollte
  

Was ein LoRaWAN-Gateway leisten muss 

A LoRaWAN-Gateway Das Gateway bildet die Brücke zwischen Ihren Sensoren und Ihrem Netzwerk. Es empfängt die kurzen Funksignale batteriebetriebener Geräte und leitet sie an den Netzwerkserver weiter, der die Daten an Ihre Anwendung übermittelt. Ein einzelnes Gateway kann kilometerlange offene Flächen abdecken oder auch tief in Keller und Metallschränke vordringen, wo andere drahtlose Technologien versagen.

Da das Gateway der Teil des Netzwerks ist, der empfangen muss, prägt dessen Empfängerdesign nahezu alles in Bezug auf Abdeckung und Zuverlässigkeit. 

Am einfachsten lässt sich das verstehen, wenn man sich das Gateway wie einen sehr aufmerksamen Zuhörer in einem Raum voller Menschen vorstellt. Seine Aufgabe ist es, selbst das leiseste Flüstern aus der Ferne aufzufangen. 

Ein guter Zuhörer tut zwei Dinge gleichzeitig: 

• Es hört sehr leise Stimmen. 

• Es wird nicht abgeworfen, wenn jemand in der Nähe anfängt zu rufen. 

Das Hören des Flüsterns wird durch Rauschzahl und Empfindlichkeit beschrieben. Das Nicht-Überwältigt-Werden durch lautes Geschrei wird durch Linearität beschrieben. 

Rauschzahl  

Jeder Empfänger empfängt ein gewisses Maß an natürlichem Hintergrundrauschen, das man als Rauschen bezeichnet. Thermisches RauschenDarüber hinaus erzeugt die Elektronik des Gateways selbst ein gewisses Rauschen. Das Rauschmaß gibt an, wie viel zusätzliches Rauschen das Gateway hinzufügt. Je geringer dieses Rauschen ist, desto besser kann es schwache Signale von entfernten oder schwer erreichbaren Geräten empfangen. 

Ein einfaches Beispiel. 

Stellen Sie sich einen ruhigen Raum in der Nacht vor. Eine Fliege summt irgendwo in der Mitte, und weil es still ist, können Sie sie hören. Nun schaltet jemand einen kleinen Ventilator neben Ihrem Ohr ein. Die Fliege ist immer noch da, aber der Ventilator macht sie viel schwerer hörbar. Dieses Ventilatorgeräusch ist das Eigenrauschen des Empfängers. Ein gutes Gateway fügt selbst nur sehr wenig „Ventilatorgeräusch“ hinzu. 

Als grober Richtwert gilt: Ein Rauschmaß von 1–3 dB ist ausgezeichnet, 3–4 dB sind für einen Gateway-Empfänger gut. 5–6 dB sind für viele Gateways im Innenbereich oder kostengünstigere Geräte akzeptabel, Werte über 6 dB sind für anspruchsvolle Außenanwendungen oder Carrier-Standards unzureichend. 

Das Rauschmaß ist vor allem in störungsarmen Funkumgebungen relevant, beispielsweise auf ländlichen Versorgungsanlagen, privaten Campusgeländen oder in Gebäuden mit geringen Funkstörungen. Dort verbessert ein niedrigeres Rauschmaß direkt die Empfindlichkeit und Reichweite. Es handelt sich jedoch um eine Labormessung, die nicht beschreibt, wie sich das Gateway verhält, sobald starke externe Signale auftreten. 

Das Rauschmaß gibt an, wie gut ein Gateway Signale empfängt. Die Empfindlichkeit quantifiziert das schwächste Signal, das es noch dekodieren kann. 

Sensitivität  

Die Empfängerempfindlichkeit ist das schwächste LoRaWAN-Signal, das ein Gateway empfangen und dennoch korrekt dekodieren kann. Sie wird in dBm gemessen, und je negativer der Wert ist, desto besser. Kurz gesagt: −142 dBm sind besser als −136 dBm. In der Praxis bestimmt die Empfängerempfindlichkeit die maximale Verbindungsleistung, die ein LoRaWAN-Gateway unter rauscharmen Bedingungen erreichen kann. 

Ein einfaches Beispiel: Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, jemanden über ein Feld flüstern zu hören. Mit ausgezeichnetem Gehör verstehen Sie die Worte. Mit schlechtem Gehör nicht. Die Empfindlichkeit beschreibt die Fähigkeit eines Gateways, selbst leises Flüstern von weit entfernten Geräten zu erkennen.

Diese Werte basieren auf definierten Testbedingungen – Spreizfaktor, Bandbreite, Codierungsrate, Paketfehlerrate und Temperatur. Die LoRa-Empfindlichkeit hängt stark vom Spreizfaktor und der Bandbreite ab. 

Hier ist etwas Bemerkenswertes:  

• Ein LoRaWAN-Gateway kann Signale dekodieren, die unterhalb des Rauschpegels liegen. 

• Die LoRa-Modulation arbeitet mit einem negativen Signal-Rausch-Verhältnis, da höhere Spreizfaktoren wie SF10 bis SF12 einen Verarbeitungsgewinn ermöglichen.  

SemtechDer Erfinder von LoRa merkt an, dass die Technologie Signale empfangen kann, die etwa 20 dB unter dem thermischen Rauschpegel liegen. Dies ist ein wesentlicher Grund für die große Reichweite und die gute Gebäudedurchdringung von LoRaWAN. Höhere Spreizfaktoren gehen jedoch mit einer geringeren Datenrate und längeren Sendezeiten einher. Wenn Sie genauer wissen möchten, wie der Spreizfaktor die Reichweite beeinflusst, finden Sie weitere Informationen dazu in [Link einfügen]. Wie man die Leistung eines LoRaWAN-Gateways verbessert. 

Die Empfindlichkeit wird gemessen, indem ein bekanntes Signal in das Gateway eingespeist und schrittweise verringert wird, bis das Gateway Pakete nicht mehr zuverlässig dekodieren kann, typischerweise bei einer Paketfehlerrate von 5 % bis 10 %. Der niedrigste Wert, den es noch verarbeiten kann, wird als Empfindlichkeitswert veröffentlicht. 

Diese Messung wird in einer HF-Kammer mit einer Isolation von ca. 80 dB durchgeführt, ohne Mobilfunkantennen, Industriegeräusche oder Störungen durch Dächer. Der Wert ist real und aussagekräftig. Er gibt jedoch keine Auskunft darüber, wie sich das Gateway in den störungsanfälligen Umgebungen verhält, in denen die meisten Netzwerke tatsächlich betrieben werden. 

Was uns zu dem Parameter führt, der im Stillen über die Leistung in der Praxis entscheidet und den Käufer am häufigsten übersehen. 

Linearität 

Die Empfängerlinearität beschreibt, wie gut ein Gateway starke Signale in der Nähe verarbeitet, ohne überlastet zu werden. Ein Gateway mit geringer Linearität kann im Labor hervorragende Ergebnisse liefern, aber Probleme bereiten, sobald es in der Nähe von Mobilfunkantennen, privaten Funkgeräten oder Industrieanlagen installiert wird. Wenn der Empfänger überlastet ist, kann er die Erkennung schwacher LoRaWAN-Geräte einstellen, die er in einer ruhigen Umgebung problemlos erkennen würde. In städtischen Gebieten ist die Linearität der Gateways wichtiger als die Rauschzahl..  

Ingenieure beschreiben Linearität mit einer Handvoll Parametern:  

• P1dB (Punkt, an dem die Verstärkung des Empfängers zu sinken beginnt) 

• IIP2 und IIP3 (die Schnittpunkte, die die Intermodulationsverzerrung bestimmen) 

• Blockierleistung (Toleranz gegenüber starken Signalen außerhalb des Frequenzbandes) 

Ein hoher IIP3-Wert ist dabei besonders wichtig, da er verhindert, dass der Empfänger eigene Störungen erzeugt, ein IM3-Produkt, das genau im LoRaWAN-Band landen und das eigentliche Signal überdecken kann. 

In einer typischen städtischen, vorstädtischen oder industriellen Umgebung ist das Gateway von starken Signalen umgeben:  

• LTE- und 5G-Basisstationen 

• Funkgeräte für Versorgungsunternehmen und die öffentliche Sicherheit 

• Rundfunk- und Paging-Sender 

• Industriemotoren und -antriebe sowie die hohe HF-Dichte von Flughäfen, Campusgeländen und Dächern 

Wenn der Empfänger nicht linear genug arbeitet, wird er überlastet und verliert die Fähigkeit, schwache Pakete zu empfangen. Stark HF-Filterung gegen elektromagnetische Störungen ist das, was diese Signale vom Eingangssignal fernhält.

Warum ist die Desensibilisierung der Empfänger wirklich wichtig? 

Wenn starke Signale ein Gateway überlasten, reagiert es nicht mehr auf schwache Sensoren, obwohl es weiterhin eingeschaltet ist und laut Datenblatt eine hohe Empfindlichkeit aufweist. In der Praxis führt dies zu hohem Paketverlust, verringerter Reichweite und unzuverlässigem Empfang. Die Datenblätter sehen zwar gut aus, die Realität des Netzwerks jedoch nicht. 

Rauschzahl, Empfindlichkeit und Linearität sind zwar verwandt, aber nicht dasselbe; durch Verwechslung dieser Begriffe werden gute Gateways für die falschen Standorte ausgewählt. 

Wie die drei zusammenarbeiten 

Die Empfindlichkeit wird maßgeblich durch das Rauschmaß bestimmt: Ein niedrigeres Rauschmaß bedeutet im Allgemeinen eine höhere Empfindlichkeit. Eine exzellente Empfindlichkeit garantiert jedoch keine gute Leistung im praktischen Einsatz. Ein Empfänger kann in einer störungsfreien Umgebung hervorragende Werte erzielen und dennoch versagen, sobald starke Signale außerhalb des Frequenzbandes eintreffen – und die meisten Installationen entsprechen genau solchen Umgebungen. In solchen Umgebungen ist die Linearität entscheidend für die Reichweite und die Paketübertragungsrate des Gateways. 

Dahinter verbirgt sich ein echter Design-Kompromiss. Ein sehr rauscharmes Frontend unter 3 dB ist in der Regel nicht optimal linear, da das Streben nach minimalem Rauschen tendenziell höhere Verstärkung und weniger Filterung vor dem Mischer bedeutet, was die Toleranz gegenüber starken Signalen verringert. Ein gutes Empfängerdesign zeichnet sich durch ein ausgewogenes Verhältnis von geringem Rauschen, Verstärkung, Filterung und Linearität aus. Sorgfältige HF-Frontend-Entwicklung und eine adäquate Filterung gewährleisten die Leistungsfähigkeit, sobald das Gateway das Labor verlässt. 

Die Kurzfassung: 

• Das Rauschmaß hilft dem Gateway, schwache Signale zu erkennen. 

• Die Empfindlichkeit definiert, wie schwach diese Signale sein können. 

• Die Linearität entscheidet darüber, ob sie die Signale auch in einer verrauschten HF-Umgebung noch empfangen kann – was die meiste Zeit der Fall ist. 

Drei Szenarien menschlichen Zuhörens, die alles erklären 

• Der ruhige ländliche Ort 

Der Raum ist still, und die Fliege ist leise, aber gut hörbar. Dies ist ein Gateway in einer ruhigen ländlichen Umgebung, wo Rauschzahl und Empfindlichkeit entscheidend sind. Ein besserer Empfänger empfängt einfach schwächere Signale. 

• Der typische städtische Standort 

Es gibt zwar viele Hintergrundgeräusche, aber Sie können Ihrem Freund trotzdem folgen, wenn Ihr Gehör die wichtige Stimme vom Lärm unterscheiden kann. Hier ist Linearität entscheidend: Das Gateway empfängt schwache Sensoren und ignoriert gleichzeitig die starken, unerwünschten Signale in seiner Umgebung. 

• Zu nah an starken Sendern 

Die sprechende Person mag direkt neben Ihnen sitzen, aber der Jet ist so laut, dass Ihre Ohren überlastet sind. In der Funktechnik bedeutet das: Der Empfänger wird überlastet. Die Empfindlichkeit sinkt, der Paketverlust steigt, die Reichweite verringert sich. Genau das passiert in der Nähe leistungsstarker LTE/5G-Antennen, wenn diese nicht ausreichend gefiltert oder linearisiert sind. 

Worauf man bei einem Gateway achten sollte 

Ein Gateway mit hoher Empfindlichkeit, aber geringer Linearität kann im Labor hervorragende Ergebnisse liefern und auf einem Dach, einem Turm, einer Fabrik oder einem städtischen Strommast enttäuschen. Ein wirklich Carrier-Grade-Gateway fügt das Gesamtbild zusammen: 

• Gutes Rauschmaß – um schwache Signale in ruhigen Umgebungen zu hören 

• Hervorragende Empfindlichkeit – für ein hohes Linkbudget und eine breite Abdeckung 

• Hohe Linearität – um auch bei starken Störquellen in der Nähe empfindlich zu bleiben. 

• Starke HF-Filterung – um Signale außerhalb des Frequenzbandes zu unterdrücken, bevor sie die Eingangsstufe überlasten. 

• Robustes Frontend-Design – um das Ganze über Jahre hinweg im Feldeinsatz zusammenzuhalten. 

Genau dieses Gleichgewicht streben wir in TEKTELICs Portfolio an Carrier-Grade-Gateway-Lösungen der KONA-Serie an, angefangen bei den solarbetriebenen Geräten KONA Photon für abgelegene Standorte zu KONA Enterprise für eine kostengünstige Indoor-Abdeckung bis hin zu KONA Macro und 64-Kanal KONA Mega für Anwendungen mit hoher Kapazität im Außenbereich, auf Dächern, im Telekommunikationsbereich und in der Industrie. 

Das Ziel ist immer dasselbe: zuverlässige Netzabdeckung und eine hohe Paketübertragungsrate in den realen, störungsanfälligen Umgebungen, in denen Netzwerke existieren. 

Wichtige Punkte, die Sie bei der Auswahl Ihres Gateways beachten sollten 

• Betrachten Sie nicht nur die einzelne Empfindlichkeitszahl. 

• Fragen Sie, wie sich der Empfänger bei starken Signalen verhält, welche Filter die Eingangsstufe schützen und wie das Design Rauschen, Verstärkung und Linearität in Einklang bringt. 

•  Für ländliche Standorte sind ein niedriges Rauschmaß und eine hohe Empfindlichkeit entscheidend 

• Für urbane, industrielle, Versorgungs-, Smart-Building- und Dachflächen spielen Linearität und Filterung eine ebenso wichtige, oft sogar größere Rolle. 

Die besten LoRaWAN-Gateways sind diejenigen, die selbst dann noch ein Flüstern hören können, wenn die Welt um sie herum schreit. 

Möchten Sie Ihre Implementierung besprechen? 

Egal ob Sie ein neues Netzwerk planen, ein bestehendes erweitern oder Probleme mit der Abdeckung beheben möchten, die auf dem Papier gut aussieht – wir beraten Sie gerne unkompliziert darüber, welches Gateway am besten zu Ihrer Funkumgebung passt. 

Kontaktieren Sie unser Team: info@tektelic.com