LoRa Compliance und Zertifizierung: Was Hersteller wissen müssen

LoRa und LoRaWAN werden weltweit für IoT-Anwendungen eingesetzt – von Smart Metering und Asset Tracking bis hin zu industriellen Sensoren und Smart-City-Anwendungen.

Für Hersteller ist die Integration eines LoRa- oder LoRaWAN-Moduls jedoch nur ein Teil des gesamten Compliance-Prozesses.

Ein LoRa-Produkt muss nicht nur technisch funktionieren und gegebenenfalls die Anforderungen des LoRaWAN-Ökosystems erfüllen. Je nach Zielmarkt müssen auch die jeweiligen regulatorischen Anforderungen für Funk, EMV, RF Exposure, Safety und weitere Produktanforderungen berücksichtigt werden.

Der entscheidende Punkt:

LoRa bzw. LoRaWAN ist keine weltweit einheitliche Funkzulassung.

Frequenzbereiche, Sendeleistung, Kanalbelegung und weitere regulatorische Anforderungen unterscheiden sich je nach Region.

Was ist LoRa?

LoRa steht für Long Range und bezeichnet eine proprietäre Funkmodulation, die für energieeffiziente Kommunikation über größere Entfernungen entwickelt wurde.

LoRa nutzt eine sogenannte Chirp Spread Spectrum (CSS)-Modulation.

LoRaWAN baut auf LoRa beziehungsweise anderen geeigneten Physical Layers auf und definiert darüber ein Netzwerkprotokoll für Low-Power-Wide-Area-Network-Anwendungen.

Die Begriffe werden häufig gemeinsam verwendet, technisch sollte man sie jedoch unterscheiden:

LoRa = Funkmodulation / Physical Layer

LoRaWAN = Netzwerkprotokoll

Für die regulatorische Compliance ist vor allem entscheidend, wie das konkrete Funkinterface implementiert ist.

LoRa ist nicht gleich LoRa – die Frequenzregion ist entscheidend

Einer der häufigsten Fehler bei der Planung eines LoRa-Produkts ist die Annahme, dass dieselbe Funkkonfiguration weltweit verwendet werden kann.

Das ist in der Regel nicht der Fall.

LoRaWAN definiert regionale Parameter über sogenannte Regional Parameters. Diese berücksichtigen die jeweiligen regulatorischen Rahmenbedingungen.

Typische LoRaWAN-Regionen sind beispielsweise:

• EU868
• US915
• AU915
• AS923
• IN865
• KR920
• RU864

Die Bezeichnungen beziehen sich auf die jeweiligen regionalen Frequenzpläne.

Damit kann ein Produkt, das für Europa entwickelt wurde, nicht automatisch mit derselben RF-Konfiguration in den USA, Australien oder Indien betrieben werden.

EU868 vs. US915

Ein einfaches Beispiel zeigt die Bedeutung der regionalen Konfiguration.

Ein typisches europäisches LoRaWAN-Produkt arbeitet im EU868-Bereich.

Ein US-amerikanisches Produkt nutzt dagegen typischerweise den US915-Bereich.

Dabei unterscheiden sich nicht nur die Frequenzen.

Auch Parameter wie:

• Kanalstruktur
• Bandbreite
• Sendeleistung
• Duty-Cycle-Anforderungen
• Frequency-Hopping-Verhalten
• zulässige Betriebsarten

können sich unterscheiden.

Die regulatorische Bewertung muss deshalb immer auf der tatsächlich vorgesehenen regionalen Konfiguration basieren.

Welche Anforderungen müssen Hersteller betrachten?

Bei einem LoRa-Produkt können verschiedene Compliance-Ebenen zusammenkommen.

Je nach Produkt und Zielmarkt können unter anderem relevant sein:

Radio / Spectrum

EMV

RF Exposure

Electrical Safety

Cybersecurity

Produkt- und Umweltschutzanforderungen

LoRaWAN-Zertifizierung

Nicht jede dieser Anforderungen gilt für jedes Produkt. Der konkrete Scope muss anhand der Produktarchitektur und des Zielmarktes bestimmt werden.

Funkanforderungen für LoRa-Produkte

Die Funkbewertung ist einer der zentralen Bestandteile der Compliance.

Dabei können unter anderem folgende Parameter relevant sein:

• Frequenzbereich
• Kanalraster
• Bandbreite
• Sendeleistung
• ERP bzw. EIRP
• Antennengewinn
• Modulationsparameter
• Duty Cycle
• Occupied Bandwidth
• Spurious Emissions
• Receiver Performance
• Frequency Stability

Welche Anforderungen konkret gelten, hängt vom Zielmarkt und der verwendeten regionalen Konfiguration ab.

Bei einem europäischen Produkt ist beispielsweise nicht nur entscheidend, dass es „868 MHz“ verwendet.

Die genaue Frequenz, Leistung, Bandbreite, Kanalbelegung und Betriebsart müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Duty Cycle kann entscheidend sein

Ein wichtiger Unterschied zwischen verschiedenen regulatorischen Regionen betrifft die Art und Weise, wie die Kanalbelegung reguliert wird.

In bestimmten europäischen Anwendungen spielen Duty-Cycle-Limits eine zentrale Rolle.

Das bedeutet vereinfacht, dass ein Sender innerhalb eines definierten Zeitraums nur einen bestimmten Anteil der Zeit senden darf.

Für den Hersteller kann dies direkte Auswirkungen auf die Produktentwicklung haben.

Ein höherer Datenbedarf kann beispielsweise zu Fragen führen wie:

• Wie häufig darf das Gerät senden?
• Welche Payload-Größe wird verwendet?
• Wie viele Wiederholungen sind erforderlich?
• Welche Spreading Factors werden verwendet?
• Wie lange dauert eine Übertragung?
• Welche Auswirkungen hat ADR?

Diese Parameter können nicht nur die Netzwerkperformance, sondern auch die regulatorische Bewertung beeinflussen.

LoRaWAN und Adaptive Data Rate

LoRaWAN kann Adaptive Data Rate (ADR) verwenden, um die Übertragungsparameter abhängig von den Netzwerkbedingungen anzupassen.

Dadurch können sich beispielsweise Spreading Factor und Datenrate verändern.

Für die Compliance ist wichtig zu verstehen, welche möglichen Betriebszustände das Produkt tatsächlich unterstützt.

Ein Produkt sollte deshalb nicht nur anhand eines einzelnen nominalen Funkparameters bewertet werden.

Vielmehr muss betrachtet werden, welche Kombinationen aus:

• Frequenz
• Bandbreite
• Spreading Factor
• Sendeleistung
• Datenrate

im tatsächlichen Betrieb möglich sind.

Vorzertifizierte LoRa-Module

Wie bei Wi-Fi, Bluetooth oder anderen Funktechnologien verwenden viele Hersteller vorab zertifizierte Funkmodule.

Das kann den Compliance-Prozess erheblich vereinfachen.

Eine Modulzertifizierung bedeutet jedoch nicht automatisch, dass der gesamte Endproduktscope abgedeckt ist.

Unter anderem können folgende Faktoren relevant sein:

• Modulposition
• Antennentyp
• Antennengewinn
• Antennenkabel
• Gehäuse
• Ground Plane
• Ausgangsleistung
• Firmware
• regionale Konfiguration
• Abstand zum Benutzer
• gleichzeitiger Betrieb weiterer Sender

Besonders wichtig ist die Antenne.

Wird beispielsweise eine andere Antenne verwendet als diejenige, die Bestandteil der ursprünglichen Zulassung war, muss geprüft werden, ob die bestehende Zulassung weiterhin anwendbar ist.

Antennendesign und LoRa Compliance

LoRa-Produkte werden häufig mit externen oder integrierten Antennen ausgestattet.

Die Antenne kann dabei einen erheblichen Einfluss auf die regulatorische Bewertung haben.

Zu betrachten sind unter anderem:

• Antennentyp
• Antennengewinn
• Antennenposition
• Antennenabstand
• Kabelverluste
• Matching
• Gehäuseeinfluss

Eine Änderung der Antenne kann die effektive abgestrahlte Leistung verändern.

Das bedeutet:

Eine Änderung der Antenne sollte immer als potenziell relevante Compliance-Änderung betrachtet werden.

RF Exposure bei LoRa-Produkten

Auch bei LoRa-Produkten kann die HF-Exposition relevant sein.

Ob und welche Bewertung erforderlich ist, hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

• Sendeleistung
• Frequenz
• Antennengewinn
• Duty Cycle
• Abstand zum Benutzer
• Installationsart
• Nutzungsszenario

Bei einem fest installierten Sensor ist die Situation beispielsweise anders als bei einem tragbaren oder körpernah betriebenen Produkt.

Bei mehreren Funktechnologien im selben Produkt muss zusätzlich betrachtet werden, ob mehrere Sender gleichzeitig betrieben werden können.

LoRa plus Bluetooth oder Wi-Fi

Viele moderne IoT-Produkte verwenden LoRa nicht als einzige Funktechnologie.

Ein Produkt kann beispielsweise enthalten:

• LoRa
• Bluetooth LE
• Wi-Fi
• GNSS
• Mobilfunk

Damit steigt die Komplexität der Compliance-Bewertung.

Besonders wichtig ist die Frage:

Welche Sender können gleichzeitig aktiv sein?

Ein Gerät mit LoRa und Bluetooth ist regulatorisch nicht zwangsläufig einfach die Summe zweier bereits zertifizierter Funkmodule.

Je nach Markt und Produktkonfiguration können zusätzliche Bewertungen für:

• Simultaneous Transmission
• RF Exposure
• EMC
• Antennenkonfiguration

erforderlich werden.

EMV-Prüfungen

Neben den Funkanforderungen muss auch die elektromagnetische Verträglichkeit des fertigen Produkts betrachtet werden.

Abhängig vom Produkt können beispielsweise relevant sein:

• Radiated Emissions
• Conducted Emissions
• Radiated Immunity
• Conducted Immunity
• ESD
• EFT/Burst
• Surge

Bei IoT-Produkten ist insbesondere die Kombination aus Funkmodul, Mikrocontroller, Display, Sensorik, Netzteil und weiteren digitalen Schaltungen relevant.

Die Tatsache, dass das LoRa-Modul bereits zertifiziert wurde, bedeutet nicht automatisch, dass das fertige Produkt alle EMV-Anforderungen erfüllt.

LoRaWAN-Zertifizierung vs. regulatorische Compliance

Auch hier sollten zwei Themen klar getrennt werden.

LoRaWAN-Zertifizierung

Die LoRa Alliance betreibt ein Zertifizierungsprogramm für LoRaWAN-Produkte.

Dabei geht es insbesondere um die Interoperabilität und Konformität mit den entsprechenden LoRaWAN-Anforderungen.

Regulatorische Compliance

Die regulatorische Compliance wird dagegen durch den jeweiligen Zielmarkt bestimmt.

Hier geht es beispielsweise um:

• Spektrum
• Sendeleistung
• Emissionen
• EMV
• RF Exposure
• Safety
• weitere gesetzliche Anforderungen

Ein Produkt kann daher LoRaWAN-zertifiziert sein und trotzdem zusätzliche regulatorische Anforderungen erfüllen müssen.

LoRaWAN-Zertifizierung und regulatorische Konformität sind zwei unterschiedliche Dinge.

LoRa in der Europäischen Union

Für ein LoRa-Produkt mit Funkfunktionalität ist in der EU insbesondere die Radio Equipment Directive (RED) relevant.

Die konkrete technische Bewertung hängt von der verwendeten Frequenz, der Funktechnik und den Eigenschaften des Produkts ab.

Bei einem typischen EU868-Gerät müssen unter anderem die entsprechenden Anforderungen für Short Range Devices berücksichtigt werden.

Je nach konkreter Implementierung können beispielsweise Anforderungen an:

• Frequenznutzung
• Sendeleistung
• belegte Bandbreite
• Out-of-band emissions
• Spurious emissions
• Receiver performance
• EMC
• Safety

relevant werden.

Die tatsächlich anzuwendenden Normen müssen anhand der konkreten Produktkonfiguration und des aktuellen regulatorischen Standes bestimmt werden.

LoRa in den USA

Für den US-Markt gelten andere regulatorische Rahmenbedingungen.

LoRa-Geräte im Sub-GHz-Bereich können beispielsweise unter die entsprechenden FCC-Anforderungen für unlicensed intentional radiators fallen.

Dabei müssen unter anderem Frequenzbereich, Bandbreite, Ausgangsleistung, Emissionen und die konkrete Betriebsart betrachtet werden.

Ein EU868-Design kann deshalb nicht einfach als US915-Produkt betrachtet werden.

Die US-Konfiguration muss separat bewertet werden.

LoRa in weiteren Märkten

Bei einer globalen Produkteinführung wird die Situation noch komplexer.

Hersteller müssen beispielsweise regionale Implementierungen für:

• Europa
• USA
• Kanada
• Australien
• Japan
• Indien
• Korea
• weitere Länder

berücksichtigen.

Dabei können sich nicht nur Frequenzen unterscheiden.

Auch regulatorische Grenzwerte, zulässige Kanalstrukturen, Sendeleistungen und technische Anforderungen können voneinander abweichen.

Eine globale LoRa-Produktstrategie sollte deshalb bereits während der Hardware- und Firmware-Entwicklung berücksichtigt werden.

Was passiert bei einer Änderung des LoRa-Produkts?

Änderungen am Produkt können direkte Auswirkungen auf den Compliance-Scope haben.

Beispiele:

Änderung der Antenne

→ mögliche Änderung der RF-Ausgangsparameter

Erhöhung der Sendeleistung

→ mögliche zusätzliche RF- oder Exposure-Bewertung

Neue regionale Konfiguration

→ möglicherweise zusätzliche regulatorische Anforderungen

Hinzufügen von Bluetooth

→ zusätzliche Funktechnologie

Aktivierung simultaner Übertragung

→ mögliche zusätzliche RF- und Exposure-Bewertung

Änderung des Gehäuses

→ mögliche Auswirkungen auf Antenne und RF-Verhalten

Neue Stromversorgung

→ mögliche Auswirkungen auf EMV und Safety

Deshalb sollte jede wesentliche technische Änderung gegen den bestehenden Compliance-Scope geprüft werden.

Ein praktischer Compliance-Workflow für LoRa-Produkte

1. Produkt und Anwendung definieren

Zunächst sollten festgelegt werden:

• Produkttyp
• Einsatzbereich
• Installationsart
• Zielmärkte
• Stromversorgung
• Nutzungsszenario
• Abstand zum Benutzer

2. Funkarchitektur bestimmen

Dokumentieren:

• LoRa / LoRaWAN
• Frequenzregion
• unterstützte Kanäle
• Bandbreiten
• Spreading Factors
• maximale Sendeleistung
• Antenne

3. Weitere Funktechnologien identifizieren

Prüfen, ob zusätzlich vorhanden sind:

• Bluetooth
• Wi-Fi
• GNSS
• Mobilfunk
• NFC
• weitere Sender

4. Simultane Übertragung prüfen

Dokumentieren, welche Sender gleichzeitig aktiv sein können.

5. Modulzertifizierungen prüfen

Für jedes Funkmodul:

• bestehende Zertifizierungen
• zulässige Antennen
• maximale Leistung
• Einbaubedingungen
• regionale Varianten
• Einschränkungen

prüfen.

6. Zielmärkte definieren

Die regulatorische Bewertung sollte für jeden Zielmarkt separat durchgeführt werden.

Beispielsweise:

EU → EU868

USA → US915

Australien → AU915

Dabei darf nicht angenommen werden, dass eine einzige RF-Konfiguration automatisch alle Märkte abdeckt.

7. Prüfplan erstellen

Erst wenn Produktarchitektur, Funkparameter und Zielmärkte feststehen, sollte der finale Prüfplan erstellt werden.

So lässt sich vermeiden, dass Prüfungen fehlen oder unnötige Prüfungen durchgeführt werden.

Typische Fehler bei LoRa-Produkten

Fehler 1: „LoRa ist 868 MHz“

LoRa kann in unterschiedlichen Frequenzbereichen und regionalen Konfigurationen eingesetzt werden.

Die konkrete Frequenzregion muss definiert werden.

Fehler 2: EU868 einfach weltweit verwenden

Regionale regulatorische Anforderungen unterscheiden sich.

Eine globale Zulassung erfordert deshalb eine entsprechende Betrachtung der jeweiligen Märkte.

Fehler 3: Modulzertifizierung mit Endprodukt-Compliance gleichsetzen

Das Modul ist nur ein Bestandteil des fertigen Produkts.

Fehler 4: Die Antenne nachträglich ändern

Eine andere Antenne kann die RF-Parameter des Produkts verändern und damit Auswirkungen auf die Zulassung haben.

Fehler 5: Bluetooth oder Wi-Fi im Produkt nicht in den RF-Scope aufnehmen

Zusätzliche Funktechnologien können die Gesamtbewertung verändern.

Fehler 6: Duty Cycle nur als Softwarethema betrachten

Die zulässige Sendezeit kann direkt mit der regulatorischen Bewertung und den tatsächlichen Betriebsparametern zusammenhängen.

LoRa ist eine Systementscheidung

Bei einem LoRa-Produkt sollte Compliance nicht erst vor dem Labortermin betrachtet werden.

Die Entscheidung über:

• Frequenzregion
• Funkmodul
• Antenne
• Sendeleistung
• Firmware
• regionale Varianten
• zusätzliche Funktechnologien

kann den späteren Prüfaufwand erheblich beeinflussen.

Eine frühzeitige Compliance-Bewertung ermöglicht es Herstellern, technische Entscheidungen und regulatorische Anforderungen zusammenzuführen.

Fazit

LoRa bietet eine effiziente Funklösung für viele IoT-Anwendungen. Für Hersteller bedeutet die Verwendung von LoRa oder LoRaWAN jedoch nicht automatisch einen einheitlichen globalen Compliance-Prozess.

Die entscheidenden Faktoren sind unter anderem:

LoRa / LoRaWAN → Frequenzregion → RF-Parameter → Antenne → EMV → RF Exposure → Safety → Marktspezifische Anforderungen

Zusätzlich muss zwischen LoRaWAN-Zertifizierung und regulatorischer Konformität unterschieden werden.

Für Hersteller lautet die entscheidende Frage daher nicht nur:

„Ist mein Produkt LoRaWAN-kompatibel?“

Sondern:

„Welche regulatorischen Anforderungen ergeben sich aus meiner konkreten LoRa-Implementierung für jeden Zielmarkt?“

Je früher diese Frage beantwortet wird, desto einfacher lässt sich der spätere Prüf- und Zulassungsaufwand planen.

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