В конце прошлого года приказом от 22 декабря Росстандарт утвердил национальный стандарт протокола LoRaWAN для интернета вещей. Узнав об этом, мы решили проанализировать результаты внедрения данной технологии у наших клиентов и поделиться с вами практическим опытом применения счетчиков с LoRaWAN-модулями.

На технологии беспроводной передачи данных LoRaWAN остановили свой выбор многие электросетевые предприятия, рассчитывая обеспечить бесперебойный сбор данных по всем своим счетчикам. Изучив характеристики, заявленные производителями оборудования, раньше и мы рекомендовали обратить внимание на данную технологию. Но сейчас, «пощупав технологию руками», мы советуем обратить внимание на ряд факторов, ограничивающих применение технологии, чтобы максимально эффективно использовать все возможности LoRaWAN сетей и не разочароваться.

Технические характеристи технологии LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) - это технология беспроводной передачи данных, разработанная для сбора информации с датчиков и устройств на больших расстояниях.

Принцип работы технологии LoRaWAN основан на комбинации двух основных компонентов: устройств LoRa (LoRa devices) и базовых станций (gateway). Устройства LoRa являются конечными узлами, которые собирают данные и передают их через радиоканалы. Базовые станции принимают данные от устройств LoRa и передают их в облако или центральную систему.

Технология LoRaWAN использует модуляцию LoRa для передачи данных на скорости, зависящей от выбранного диапазона частот и настроек сети. Обычно скорость передачи данных варьируется от 0,3 кбит/с до 50 кбит/с на канал.

Для передачи данных могут использоваться радиочастоты в нерегулируемом диапазоне. Благодаря применению метода доступа ALOHA, устройства могут передавать данные независимо друг от друга по множеству радиоканалов. Технологией LoRaWAN поддерживается до 64 каналов для передачи данных. Это количество в некоторых регионах может быть расширено за счет применения каналов с другими ширинами полосы пропускания. Но есть и ограничение: при одновременной передаче данных по одному и тому же каналу может происходить коллизия, что может привести к потере данных.

Технология LoRaWAN была разработана компанией Semtech, которая заявляет следующие преимущества:

• Дальность передачи: LoRaWAN обеспечивает дальность передачи данных до нескольких километров в городских условиях и до нескольких десятков километров в сельской местности. Это позволяет охватить большие территории с помощью небольшого количества базовых станций.
• Низкое энергопотребление: Устройства, использующие технологию LoRaWAN, потребляют очень мало энергии, что позволяет им работать на батарейках в течение длительного времени. Это особенно важно для устройств, которые работают в отдаленных местах или труднодоступных условиях.
• Возможность соединения с большим количеством устройств: LoRaWAN поддерживает соединение с большим количеством устройств одновременно. Это делает технологию идеальной для развертывания сетей Интернета вещей (IoT), где требуется связь с большим количеством датчиков и устройств.
• Низкая стоимость развертывания: Развертывание сетей LoRaWAN требует меньших инвестиций в сравнении с другими беспроводными технологиями. Базовые станции LoRaWAN могут быть установлены на существующих структурах, таких как здания или вышки, что снижает затраты на инфраструктуру.
• Гибкость и масштабируемость: Технология LoRaWAN позволяет гибко настраивать параметры передачи данных в зависимости от требований конкретного применения. Она также масштабируется, позволяя добавлять новые устройства и расширять сеть по мере необходимости.

Эти преимущества делают технологию LoRaWAN очень привлекательной для различных применений, включая умные города, где требуется вести учет различных видов энергетических и коммунальных ресурсов.

Опыт эксплуатации LoRaWAN

Окунувшись в теорию, переходим к практике.

Начнем с публикации результатов сбора профиля мощности по счетчикам с LoRaWAN-модулями по одному из наших клиентов:

Результаты сбора профиля мощности по 13 счетчикам: серая ячейка – нет данных за сутки,  синяя ячейка – за сутки собраны полные данные, сине-серая ячейка – за сутки собраны не полные данные.

В данном примере за месяц данные по профилю мощности не были собраны полностью ни по одному из счетчиков. Если мы откроем страницу с собранным профилем мощности по одному из счетчиков, то увидим, какие данные были потеряны:

График с профилем мощности по одному из счетчиков: красная заливка показывает временные зоны, в которые данные о потреблении не были получены.

Почему же такое происходит?

Дело в том, что система, построенная на технологии LoRaWAN, имеет ряд ограничений. Давайте рассмотрим более подробно все факторы, которые необходимо учитывать при построении сети LoRaWAN.

Фактор 1. Региональные особенности: количество каналов LoRaWAN

Счетчики обмениваются информацией с базовой станцией по радиоканалу. По одному радиоканалу базовая станция одномоментно может принимать данные только от одного счетчика. Если же в одно и тоже время передача данных будет происходить по двум и более счетчикам, то возникнет коллизия, и базовая станция не примет показаний ни по одному из счетчиков. С ростом количества счетчиков, возрастает вероятность коллизий, и качество приема данных будет снижаться. Для расширения количества счетчиков, обслуживаемых одной базовой станцией, технология предусматривает передачу данных сразу по нескольким радиоканалам. Единовременная передача данных со счетчиков по разным каналам не приводит к коллизиям. Поэтому количество поддерживаемых каналов – является очень важным фактором при организации сети LoRaWAN.

В США, где технология появилась на свет, диапазон нерегулируемых частот, на которых работает LoRaWAN находится в пределах 902-928 МГц, и здесь доступны к использованию все 64 канала, заявленные в Технических характеристиках.

Радиочастотный спектр сети LoRaWAN в США: 64 узкополосных канала показаны зеленым цветом, 8 широкополосных каналов на передачу показаны голубым цветом, 8 широкополосных каналов на прием сигнала показаны оранжевым цветом.

Теперь давайте, посмотрим, что в России. У нас количество каналов ограничено диапазонами доступных частот: 864.0 - 865.0 МГц, 866.0 - 868.0 МГц и 868,7 - 869,2 МГц. Поэтому здесь, учитывая ширину канала 125 кГЦ, получаем количество доступных к использованию каналов всего 15.

Для наглядности ограничения по количеству каналов мы приводим следующую схему:

1. Количество каналов, предусмотренных технологией, 2. Максимальное количество каналов на не лицензируемом диапазоне частот в России, 3. Максимальное число каналов при использовании БС с одной схемой SX1301

Глядя на этот рисунок, можно возразить, что по факту базовые станции ни в США, ни в любой другой точке мира не используют для общения со счетчиками все 64 канала. И это так.

Дело в том, что базовые станции оснащаются микросхемами SX1301, у каждой из которых есть 8 универсальных узкополосных демодуляторов и один менее универсальный широкополосный.

Для поддержки всех 64 узкополосных каналов, базовая станция должна содержать 8 микросхем SX1301, но по факту выпускаются модели только с одной, максимум двумя микросхемами. Это связано с тем, что добавление микросхем приводит к сильному удорожанию базовой станции, что нецелесообразно, когда они применяются для сбора данных с десятков или сотен устройств.

В России базовые станции также выпускаются либо с одной, либо с двумя микросхемами SX1301. Производители LoRaWAN-оборудования могут попытаться убедить, что этого вполне достаточно. Но это не так, и я постараюсь обосновать это чуть позже.

Рекомендации по фактору 1:

1. Если вы планируете на одну базовую станцию «посадить» большое количество счетчиков, выбирайте базовые станции с 2 схемами SX1301.
2. При конфигурации оборудования LoRaWAN (сервера, базовой станции и оконечных устройств) проверяйте настройки частотного плана, чтобы было задействовано максимальное количество каналов.

Фактор 2. Региональные особенности: мощность передачи сигнала

Еще один фактор, который сказывается на скорости передачи данных – это мощность передачи радиосигнала.

Так, например, в США максимальная мощность передатчика в не лицензируемом диапазоне частот может составлять 1Вт, в то время как в России – не больше 100 мВт, причем не во всем диапазоне.

Как это сказывается на качестве работы сети LoRaWAN? Допустим, что на расстоянии Х от базовой станции LoRaWAN расположено некое конечное устройство. Это устройство передаёт данные с мощностью 100мВт (20 dBm), и до БС от него доходит сигнал с уровнем, допустим -138dBm. В этом случае, прием данных будет возможен только с коэффициентом распространения SF 12, т.е. на минимальной скорости (293 бит/с).

Если же мощность поднять до 1Вт (30 dBm), то и до БС сигнал дойдёт на 10dBm сильнее, т.е. уже будет -128dBm, а это позволит использовать SF8. Скорость передачи данных увеличится до 3125 бит/сек. На большей скорости устройство быстрее передаст данные, соответственно займёт меньше времени в эфире, и вероятность коллизий снизится.

Также увеличение мощности позволяет и увеличить радиус действия базовой станции. При мощности 1Вт, счетчики будут опрашиваться на расстоянии в 3 раза большем, чем при мощности 100мВт при прочих равных условиях.

Увеличение мощности позволяет увеличить расстояние до оконечных устройств

К сожалению, по данному фактору у нас нет рекомендаций, т.к. это законодательные ограничения, которые не нарушить из-за угрозы штрафов.

Фактор 3. Антенна базовой станции LoRaWAN

В первую очередь давайте посмотрим, как происходит общение со счетчиками.

Каждое устройство для передачи данных выбирает случайный канал и случайное время сеанса передачи. Если у вас на счетчике настроено подтверждение получения данных, то счетчик будет ждать ответа от базовой станции об успешном получении пакета.

В свою очередь, базовая станция, получая данные от счетчиков, посылает в эфир ответы на той же самой скорости, на которой были получены пакеты. Если сигнал от счетчика хороший, то ответ будет послан на высокой скорости, а для удаленных от базовой станции счетчиков, ответы будут посылаться на пониженной скорости.

Чаще всего для приема данных и ответов базовая станция использует одну и туже антенну. Тут важно понимать, что единовременно антенна может работать только лишь в одном режиме: либо прием, либо передача данных. Поэтому, в то время как базовая станция отвечает одному из счетчиков, она не способна слышать других. Чем больше счетчиков в сети, тем чаще могут возникать накладки, когда отправленные устройствами пакеты будут совпадать по времени с отправкой данных от базовой станции, и такие пакеты не смогут быть приняты.

Чтобы избежать таких проблем, обратите внимание предусмотрена ли у вашей базовой станции возможность подключения двух антенн: на прием и передачу. Это поможет частично решить описанную проблему. Частично потому, что вторая антенна в момент передачи ответов будет «глушить» сигналы, поступающие от счетчиков. Чтобы уменьшить такой негативный эффект, антенны нужно разводить как можно дальше друг от друга.

Еще один важный момент, который надо учитывать – это место расположения антенны с учетом направления распространения сигнала. То, что антенна подлежит установке в максимально высоком месте – прописная истина. Но не является очевидным для всех, что сигнал от устройств, расположенных под антенной, может не дойти до базовой станции, это связано с тем, что:

1. Антенна имеет круговую диаграмму направленности лишь в горизонтальной плоскости.
2. На пути от устройства до антенны может быть несколько перекрытий, являющихся серьезным препятствием для распространения сигнала.

Это особенно важно учитывать при желании организовать сбор данных с приборов учета по сети LoRaWAN в многоэтажных зданиях:

В данном примере антенна, расположенная на соседнем здании (2), будет принимать данные со счетчиков, расположенных в жилом здании лучше, чем антенна, расположенная на крыше (1). Здесь же представлена диаграмма распространения сигнала в вертикальной плоскости (3), на которой видно, что под антенной и над ней коэффициент усиления заметно ниже.

Рекомендации по фактору 3:

1. Используйте антенны с большим коэффициентом усиления, чтобы лучше «слышать» счетчики и принимать данные на более высокой скорости.
2. Не настраивайте опрос счетчиков в прозрачном режиме. В этом случае будут происходить длинные сеансы передачи данных базовой станцией, и она не сможет принимать данные от других счетчиков.
3. Не используйте длинные кабели (максимально 2м.), соединяющие антенну с базовой станцией. Дополнительное увеличение длины кабеля между антенной и базовой станцией будет приводить к потере чувствительности антенны.
4. Следует отдавать предпочтение производителям, предлагающим базовые станции с несколькими антеннами (с разделением на прием/отдачу).
5. Постарайтесь подальше развести друг от друга антенны на прием и на отдачу. Однако расстояние ограничено длиной кабеля (см. п.3).

Фактор 4. Препятствия и помехи.

Помимо бетонных перекрытий препятствием прохождению сигнала могут стать бетонные стены, зеленые насаждения, холмы и т.п. С учетов этих факторов базовая станция должна располагаться в таком месте, чтобы до каждого счетчика было как можно меньше препятствий.

Но и место расположения счетчиков также требуется выбирать в местах с максимальным уровнем сигнала. Для этого мы рекомендуем использовать тестеры сети LoRaWAN, которые показывают уровень сигнала с базовой станцией.

Тестер сети LoRaWAN производства компании «Вега-Абсолют»

Если вы решили развернуть свою сеть LoRaWAN, мы настоятельно рекомендуем купить данное устройство и не верить рекламным брошюрам, кричащим, что будут опрашиваться все счетчики в радиусе 3 км. В нашей практике встречались случаи, когда в плотной городской застройке сигнал от базовой станции не проходил и 300 метров.

Также необходимо учитывать, что нелицензируемые частоты активно используются, поэтому в развернутой сети LoRaWAN может возникать множество помех прохождению сигнала от посторонних источников. Особенно сильно радиоэфир «загрязнен» в крупных городах, и здесь увеличивается вероятность, что искаженные пакеты с показаниями могут быть не приняты базовой станцией с первого раза. Из-за узости диапазона нелицензируемых частот в России нагрузка на радиосеть гораздо выше чем в США, соответственно существенно выше и влияние помех на прохождение сигнала по сети LoRaWAN.

Рекомендации по фактору 4:

1. Устанавливайте антенну на улице, желательно на крыше здания, минимум на 5-7 метров выше окружающих строений. Высота установки над крышей – минимум 3м., чтобы не создавалось помех от перил и прочих конструкций. Установка антенны в помещении значительно ослабляет чувствительность антенны.
2. Устанавливайте счетчики только после проверки уровня сигнала тестером.
3. Выбирайте место расположения базовых станций LoRaWAN подальше (удаление на 30м. минимум) от других источников радиосигнала (например, базовых станций сотовой связи), которые могут создавать сильные помехи.
4. В месте расположения базовой станции не должно быть металлических конструкций и прочих предметов, создающих «радиотень» или зону пониженного радиосигнала.
5. Учитывайте диаграмму направленности антенны. В горизонтальной плоскости антенна имеет круговую направленность, но в вертикальной нет. Поэтому непосредственно под антенной качество связи будет хуже, чем на некотором отдалении от неё.

Фактор 5. Объем передаваемых данных.

Современные требования к учету электроэнергии не ограничиваются однократным сбором показаний. Важно понимать с какими параметрами поступает электроэнергия, по какому графику происходит потребление, вовремя узнавать об отключениях и о попытках злоумышленников вмешаться в работу счетчиков. Постановлением Правительства РФ №890 от 19.06.2020г. введены повышенные требования к массиву данных получаемых со счетчиков: это и почасовые данные о потреблении, и показатели качества электроэнергии, и записи в журналах событий.

Современные счетчики обеспечивают такие возможности, но из-за существенного увеличения объема передаваемой информации растут требования и к системам передачи данных. Способна ли технология LoRaWAN успешна справляться с передачей большого объема информации?

В нашей практике мы видим успешные примеры использования сети LoRaWAN когда со счетчиков передаются ежесуточные показания. Пакет с одним показанием «весит» 20-40 байт (в зависимости от типа радиомодуля и его протокола). Если первый пакет «не долетел» до базовой станции из-за помех или коллизий, счетчик сделает вторую, третью и следующие попытки, количество которых может быть настроено пользователем. И для этого у счетчика есть целый день. Ситуация меняется, когда собираются интервальные данные, например, за каждые 30 минут.

В этом случае суточный архив с получасовыми данными «весит» много, и велика вероятность, что он не дойдет до базовой станции из-за помех или коллизий. Лучше настроить более частые сеансы связи со счетчиками, когда происходит обмен маленькими пакетами. Но и нагрузка на сеть сильно увеличится, т.к. каждый счетчик должен будет успеть передать необходимые данные не за сутки, а за час.

Из-за кратного увеличения нагрузки на базовую станцию она сможет обслуживать в разы меньшее количество электросчетчиков. Исходя из нашей практики, мы пришли к выводу, что при обеспечении получасового учета на одну БС может приходиться не более 150-200 счетчиков. При большем количестве счетчиков статистика сбора данных начинает сильно ухудшаться.

Рекомендации по фактору 5:

1. Для обеспечения интервального учета не перегружайте базовую станцию электросчетчиками.
2. При расширении количества счетчиков свыше 150, увеличивайте количество базовых станций. 

Фактор 6. Конкуренция за эфир.

Давайте предположим, что вы учли все предыдущие факторы и вам удалось настроить на качественном уровне получение данных со счетчиков по сети LoRaWAN.

Ориентируясь на ваш положительный опыт, предприятие водоснабжения решило также установить свою базовую станцию для опроса водосчетчиков.

Казалось бы, разработчики технологии LoRaWAN учли это, заложив шифрование пакетов, благодаря чему чужие базовые станции не смогут расшифровать данные от ваших счетчиков, а ваши базовые станции не распознают данные от чужих счетчиков и будут их отбраковывать.

Но усугубится проблема загрузки базовой станции «лишними» пакетами: водосчетчики также будут передавать данные одновременно с вашими счетчиками, что приведет к росту коллизий. Из-за увеличения нагрузки на базовую станцию, опрос счетчиков может ухудшиться.

И вот здесь как раз и проявится ограничение №1 по количеству каналов, о чем я обещал рассказать выше. В странах с широким диапазоном нелицензируемых частот, организации, организующие сети LoRaWAN на одной территории не конкурируют за эфирное время, так как могут развести работу своих базовых станций по непересекающимся диапазонам частот. В России же такая возможность отсутствует, поэтому каждый новый счетчик с LoRaWAN модулем будет мешать работе ранее смонтированных в этом же районе. 

Выводы.

По нашему мнению, любая технология сбора данных для того, чтобы стать стандартом для повсеместного применения, должна обладать рядом качеств:

1. Экономическая эффективность
2. Работоспособность из коробки
3. Высокая надежность передачи данных
4. Соответствие современным требованиям
5. Легкая техподдержка
6. Безопасность
7. Масштабируемость
8. Интеграция
9. Соответствие стандартам

Соответствует ли LoRaWAN данным критериям при применении данной технологии для учета электроэнергии городскими электросетевыми организациями?

1. Экономическая эффективность – да, с ограничениями: счетчики со встроенными LoRaWAN модулями имеют доступную стоимость. При обслуживании одной базовой станцией от 50 однофазных счетчиков (например, Меркурий 204), или 30 трехфазных (например, Меркурий 234), стоимость системы будет сравнима с GPRS, но позволит экономить на услугах связи.
2. Работоспособность из коробки – да, с ограничениями: счетчики могут автоматически присоединиться к базовой станции после внесения на LoRaWAN-сервер идентификаторов устройства и ключей. Система будет в целом работоспособной, но для улучшения качества сбора данных могут потребоваться изменения конфигурации.
3. Высокая надежность передачи данных – да, с большими ограничениями: со счетчиков успешно собираются посуточные показания, но есть множество внешних факторов, которые могут повлиять на качество сбора данных. Часть из этих факторов могут быть неподвластны владельцу сети LoRaWAN.
4. Соответствие современным требованиям – да, с большими ограничениями: российские производители устройств LoRaWAN прилагают большие усилия, чтобы добиться соответствия системы учета требованиям ПП РФ №890. Однако, в силу региональных ограничений по нелицензируемому частотному диапазону и по мощности передатчиков, при увеличении числа счетчиков, приходящихся на одну базовую станцию свыше 100, качество сбора данных начинает сильно ухудшаться.
5. Легкая техподдержка – скорее нет: для обеспечения работоспособности системы нужно учитывать слишком много факторов и обладать специфическими знаниями. Качество работы системы может быть в любой момент нарушено внешними факторами, разобраться с которыми в силе только высококлассные специалисты.
6. Безопасность – да: все данные, передаваемые устройствами шифруются, что препятствует несанкционированному доступу к данным и защищает конфиденциальность потребителей.
7. Масштабируемость – да, с большими ограничениями: с увеличением количества счетчиков, сбор данных может сильно ухудшиться. Масштабируемость происходит за счет увеличения количества дорогостоящих базовых станций.
8. Открытость – да: сбор данных от базовой станции происходит по открытому протоколу. Базовая станция способна работать с устройствами различных производителей.
9. Соответствие стандартам – да: эффективность применения LoRaWAN в качестве технологии Интернета вещей (IoT) признана во всем мире. В России утвержден национальный стандарт протокола LoRaWAN.

Наши рекомендации: Мы считаем технологию LoRaWAN ограничено годной к применению городскими электрическими сетями. Не стоит применять технологию и для сбора интервальных данных с приборов учета, если на базовую станцию будет приходиться свыше 150 счетчиков. При этом, мы можем рекомендовать использование LoRaWAN в сельской местности и в садовых товариществах для получения ежесуточных показаний со счетчиков.

Обоснование рекомендациий:

• ПП РФ №890 предписывает обеспечить сбор интервальных данных по всем вновь вводимым приборам учета электроэнергии, а значит нагрузка на каналы связи будет постоянно расти,
• изначально LoRaWAN создавалась как энергоэффективная технология для передачи данных для автономных устройств и не рассчитана на обмен «тяжелыми» пакетами с большим объемом информации,
• региональные особенности не позволяют на 100% использовать возможности технологии,
• в сельской местности нет высокоэтажной застройки и пониженная вероятность возникновения помех радиосигналу,
• потребители в сельской местности редко используют почасовые тарифы, поэтому частичная потеря интервальных данных не является критичной.