LoRaWAN airtime: proč záleží na rádiových podmínkách

Jak spreading factor a duty cycle ovlivňují reálné instalace dálkového odečtu

Klíčové body

• ‍Připojení k LoRaWAN není jen dobré, nebo špatné. V evropském pásmu EU868 mohou měřidla ve stejné síti komunikovat se spreading factorem od SF7 do SF12.
• Každé zvýšení spreading factoru o jeden stupeň zhruba zdvojnásobí dobu vysílání. U payloadu o velikosti 10 bajtů je zpráva na SF12 ve vzduchu přibližně 24krát déle než na SF7.
• Výchozí uplinkové kanály LoRaWAN v EU868 spadají, stejně jako většina doplňkových kanálů, do sub-pásem s limitem duty cycle 1 %. Delší doba vysílání proto snižuje, jak často smí zařízení vysílat.
• Maximální payload na SF10 až SF12 klesá na 51 bajtů, což je často méně než celý M-Bus telegram.
• Limity duty cycle platí i pro brány, takže downlinky a potvrzované zprávy jsou ve velkých instalacích omezeným zdrojem.

‍

Odečet měřidla o velikosti 10 bajtů se na spreading factoru 7 odvysílá přibližně za 62 milisekund. Stejný odečet na spreading factoru 12 trvá téměř 1,5 sekundy, tedy zhruba 24krát déle. Obě měřidla jsou ve stejné síti LoRaWAN, obě doručí data a obě se počítají jako pokrytá. Z pohledu baterie, kapacity kanálu a toho, jak často smějí vysílat, jsou ale v úplně jiné situaci.

Funguje to podobně jako rozhovor v lese. Dva lidé, kteří stojí blízko sebe, mohou mluvit rychle. Přes širokou mýtinu je potřeba stejnou větu říct pomalu a zřetelně, aby jí druhý rozuměl, a trvá to déle. V rádiovém smyslu se vzdálenost neměří jen v metrech: betonová zeď nebo šachta dvě podlaží pod zemí mohou měřidlo od brány (gateway) vzdálit víc než stovky metrů volného prostoru.

LoRaWAN k tomu přidává ještě jedno pravidlo: kdo mluví dlouho, musí potom dlouho mlčet.

Pokrytí není černobílé

Typický scénář vypadá takto: jeden vodoměr je instalovaný v technické místnosti v přízemí s volnou cestou k bráně. Druhý je dvě podlaží pod zemí v betonové vodoměrné šachtě. Obě měřidla jsou online. První vysílá s vysokou datovou rychlostí. Druhé potřebuje k dosažení brány tu nejpomalejší a nejodolnější.

Pro dálkový odečet měřidel tento rozdíl rozhoduje o tom, kolik dat může každé zařízení poslat, jak často a za jakou energetickou cenu. Samotné pokrytí říká jen málo o tom, zda bude instalace LoRaWAN fungovat dobře i ve velkém měřítku.

Co dělá spreading factor

Modulace LoRa vyměňuje rychlost za odolnost. V evropském pásmu EU868 používá LoRaWAN hodnoty spreading factoru SF7 až SF12 na kanálech o šířce 125 kHz, přiřazené k datovým rychlostem DR5 (SF7) až DR0 (SF12). Vyšší spreading factor rozprostře každý bit do delšího signálu.

Vyšší spreading factor zlepšuje citlivost přijímače, takže lze dekódovat i slabší signály, za cenu nižší datové rychlosti a delší doby vysílání. Proto SF12 dosáhne na měřidla, na která SF7 nedosáhne.

Spreading factor není vysílací výkon. Vyšší spreading factor neznamená, že zařízení křičí hlasitěji. Znamená, že mluví pomaleji. Vysílací výkon je samostatný parametr.

Doba vysílání v číslech

Doba vysílání (time on air, airtime) udává, jak dlouho jeden přenos zabírá rádiový kanál. Hodnoty níže jsou vypočítané pro EU868 se šířkou pásma 125 kHz, kódovým poměrem 4/5 a standardní 13bajtovou režií rámce LoRaWAN.

Delší doba vysílání má tři důsledky. Rádio zůstává déle aktivní a rádiový přenos patří k největším příčinám vybíjení baterie u bateriově napájeného měřidla. Kanál je déle obsazený, což s rostoucím počtem zařízení zvyšuje riziko kolizí. A právě v době vysílání se měří regulatorní limity.

Duty cycle: čas vysílání je na příděl

LoRaWAN pracuje v bezlicenčním spektru, které v Evropě upravuje norma ETSI EN 300 220-2 a národní implementace doporučení ERC 70-03. Pásmo 863 až 870 MHz se dělí na šest sub-pásem s různými limity:

• 863 až 865 MHz: duty cycle 0,1 %
• 865 až 868 MHz: duty cycle 1 %, sem sítě běžně umisťují doplňkové uplinkové kanály (867,1 až 867,9 MHz)
• 868,0 až 868,6 MHz: duty cycle 1 %, obsahuje tři výchozí uplinkové kanály LoRaWAN
• 868,7 až 869,2 MHz: duty cycle 0,1 %
• 869,4 až 869,65 MHz: duty cycle 10 %, běžně využívané pro downlinky
• 869,7 až 870 MHz: duty cycle 1 %

‍

Duty cycle 1 % dovoluje vysílači v daném sub-pásmu 36 sekund vysílání za hodinu. Zařízení, která využívají mechanismus "listen-before-talk" s adaptivní frekvenční agilitou (LBT+AFA), se mohou řídit jinými pravidly. „Duty cycle 1 %“ proto není univerzální pravidlo LoRaWAN.

Limit se počítá pro každé sub-pásmo zvlášť. Po odvysílání musí zařízení čekat zhruba 99násobek doby vysílání, než smí na stejném sub-pásmu vysílat znovu, mezitím ale může využít jiné sub-pásmo.

• Zpráva o 10 bajtech na SF7 znamená na daném sub-pásmu asi 6 sekund ticha.
• Stejná zpráva na SF12 znamená téměř 2,5 minuty.
• Zpráva o 51 bajtech na SF12 znamená více než 4,5 minuty.
• Zařízení s kanály ve dvou sub-pásmech s limitem 1 %, což je typické pro sítě využívající doplňkové kanály v pásmu 867 MHz, tak může vysílat zhruba dvakrát častěji.

‍

U denních, hodinových i 15minutových odečtů zůstává jeden uplink v rámci limitu. Zpráva o 51 bajtech na SF12 každých 15 minut spotřebuje asi 11 sekund vysílání za hodinu, tedy méně než třetinu limitu jednoho sub-pásma. Skutečným omezením se limit stává při intervalech kolem 5 minut na SF12 v rámci jednoho sub-pásma, nebo dříve, když se přidají opakované přenosy a další zprávy. Při 15minutových intervalech je podstatnější cenou vysokého spreading factoru spotřeba baterie a obsazení kanálu.

Limity payloadu a M-Bus telegramy

Maximální aplikační payload závisí i na datové rychlosti. V EU868 unesou DR0 až DR2 (SF12 až SF10) nejvýše 51 bajtů, DR3 (SF9) 115 bajtů a DR4 až DR5 (SF8 a SF7) 222 bajtů.

To je důležité pro každého, kdo připojuje stávající měřidla přes M-Bus převodník. Celý M-Bus telegram má často víc než 51 bajtů a na SF12 nejčastěji spadnou právě měřidla ve sklepích a šachtách.

Zpracování dat v převodníku před odesláním řeší problém přímo u zdroje. Filtrování VIF/DIF posílá jen hodnoty, které přijímající systém potřebuje, a strategie fragmentace Truncate, Split a Multiframe pokrývají případy, kdy musí dorazit celý telegram.

Downlinky a vlastní limity brány

Limity duty cycle platí i pro brány. Každý downlink, ať jde o změnu konfigurace, příkaz ADR, nebo potvrzení potvrzovaného uplinku, spotřebovává vysílací čas brány. Jedna brána obsluhuje všechna zařízení ve svém dosahu, takže o její kapacitu pro downlinky se dělí stovky až tisíce měřidel.

Pokud se ve velké instalaci vyžaduje potvrzení u každého odečtu, tato sdílená kapacita se rychle vyčerpá. Potvrzovací uplinky je proto nejlepší vyhradit pro zprávy, u kterých záleží na zaručeném doručení, a běžné odečty posílat bez potvrzení.

Adaptive Data Rate

Adaptive Data Rate (ADR) umožňuje síťovému serveru upravovat datovou rychlost a vysílací výkon zařízení podle kvality spojení u posledních uplinků. U stacionárních měřidel, což je v dálkovém odečtu typický případ, drží ADR zařízení s dobrým signálem na rychlých datových rychlostech a krátké době vysílání, místo aby zůstávala na konzervativním nastavení.

ADR nevyřeší špatný návrh sítě. Měřidlo v šachtě s trvale slabým signálem zůstane na vysokém spreading factoru. Umístění brán, návrh antény a podmínky instalace zůstávají součástí návrhu systému.

Co prověřit před nasazením

• Podmínky instalace: kolik měřidel bude pravděpodobně pracovat na SF10 až SF12 kvůli sklepům, šachtám nebo silným zdem
• Interval odečtu: denní odečet a 15minutový interval vytvářejí velmi odlišné rozpočty doby vysílání
• Velikost payloadu: zda je potřeba celý M-Bus telegram, nebo stačí filtrované hodnoty, zejména pod 51 bajtů
• Potřeba downlinků: jak často zařízení potřebují změny konfigurace nebo potvrzované zprávy
• Typ sítě: privátní síť, nebo veřejný operátor, protože operátoři mohou nad rámec regulatorních limitů uplatňovat vlastní pravidla
• Měřítko: zda se konfigurace, která funguje pro deset testovacích zařízení, vejde do rozpočtu doby vysílání i pro tisíce

‍

Dlouhý dosah a nízká spotřeba energie jsou důvody, proč se LoRaWAN tak široce používá pro bezdrátový odečet měřidel a energetický monitoring. Ani jedno ale nepřichází automaticky s technologií. Měřidlo, které je pokryté, ještě není měřidlo, které komunikuje efektivně. Rozdíl dělá sladění spreading factoru, payloadu a intervalu odečtu s podmínkami, ve kterých každé měřidlo skutečně pracuje.

Hodnoty uvedené v článku (doba vysílání, limity duty cycle a velikosti payloadu) jsou orientační pro pásmo EU868 a standardní parametry LoRaWAN. Skutečné limity závisí na národní regulaci spektra, verzi regionálních parametrů LoRaWAN, provozovateli sítě a konfiguraci zařízení.

Slovníček pojmů

• ADR (Adaptive Data Rate): mechanismus LoRaWAN, kterým síťový server přizpůsobuje datovou rychlost a vysílací výkon zařízení rádiovým podmínkám
• Brána (gateway): síťový prvek, který přijímá rádiové přenosy LoRa od koncových zařízení a předává je síťovému serveru
• Datová rychlost (DR, data rate): index LoRaWAN kombinující spreading factor a šířku pásma, v EU868 od DR0 (SF12) po DR5 (SF7)
• Doba vysílání (airtime, time on air): čas, po který jeden rádiový přenos zabírá kanál
• Downlink: zpráva odeslaná ze sítě přes bránu do koncového zařízení
• Duty cycle: maximální podíl času, po který smí vysílač v daném sub-pásmu vysílat během sledovaného období
• Payload: aplikační data přenášená ve zprávě
• Spreading factor (SF): parametr modulace LoRa, který určuje poměr mezi datovou rychlostí, citlivostí přijímače a dobou vysílání
• Uplink: zpráva odeslaná z koncového zařízení do sítě