La tecnología del Internet de las Cosas (IoT) LoRaWAN está ganando cada vez más popularidad. Sin embargo, ¿tiene una aplicación universal? Hemos analizado los resultados de la implementación de esta tecnología con nuestros clientes y estamos ansiosos por compartir nuestra experiencia práctica en el uso de medidores equipados con módulos LoRaWAN. Este artículo se centra en el uso de esta tecnología para recopilar datos de contadores eléctricos en redes eléctricas urbanas.

Hemos observado una creciente popularidad de la tecnología de transmisión de datos inalámbrica LoRaWAN entre las empresas de redes eléctricas. También hemos contribuido a este proceso al recomendar esta tecnología con anterioridad, basándonos en el estudio de las características declaradas por los fabricantes de equipos. Sin embargo, ahora que hemos adquirido experiencia práctica con la tecnología, somos menos optimistas sobre el éxito de la implementación de LoRaWAN. Recomendamos enfáticamente a nuestros clientes que estudien detenidamente las especificaciones de recolección de datos y presten atención a varios factores limitantes antes de adoptar la tecnología. Solo así podrá aprovechar de manera efectiva todas las capacidades de las redes LoRaWAN y evitar decepciones en su rendimiento.

Comencemos con las características técnicas según lo establecido por el creador de la tecnología.

Características técnicas de la tecnología LoRaWAN

La tecnología LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) es una tecnología de transmisión de datos inalámbrica diseñada para recopilar información de sensores y dispositivos a largas distancias. El principio de funcionamiento de la tecnología LoRaWAN se basa en una combinación de dos componentes principales: dispositivos LoRa y estaciones base (gateways). Los dispositivos LoRa actúan como nodos finales que recopilan datos y los transmiten a través de canales de radio. Las estaciones base reciben datos de los dispositivos LoRa y los transmiten a la nube o al sistema central.

La tecnología LoRaWAN utiliza la modulación LoRa para la transmisión de datos a velocidades que dependen del rango de frecuencia seleccionado y la configuración de la red. Por lo general, las velocidades de transmisión de datos oscilan entre 0,3 kbps y 50 kbps por canal. Se pueden utilizar radiofrecuencias en bandas sin licencia para la transmisión de datos. Al emplear el método de acceso ALOHA, los dispositivos pueden transmitir datos de forma independiente en múltiples canales de radio. La tecnología LoRaWAN admite hasta 64 canales para la transmisión de datos. En algunas regiones, este número se puede ampliar utilizando canales con diferentes anchos de banda. Sin embargo, existe una limitación: la transmisión simultánea de datos en el mismo canal puede provocar colisiones, lo que a su vez puede generar pérdida de datos.

La tecnología LoRaWAN fue desarrollada por Semtech, que afirma las siguientes ventajas:

• Transmisión de largo alcance: LoRaWAN permite la transmisión de datos a varios kilómetros en condiciones urbanas y hasta decenas de kilómetros en zonas rurales, lo que permite cubrir grandes áreas con un número reducido de estaciones base.
• Bajo consumo de energía: Los dispositivos que utilizan la tecnología LoRaWAN consumen muy poca energía, lo que les permite funcionar con baterías durante períodos prolongados. Esto es particularmente importante para dispositivos que operan en entornos remotos o desafiantes.
• Conectividad a una gran cantidad de dispositivos: LoRaWAN permite la conexión a una gran cantidad de dispositivos simultáneamente, lo que lo hace ideal para implementar redes de Internet de las Cosas (IoT) donde se requiere comunicación con numerosos sensores y dispositivos.
• Bajo costo de implementación: La implementación de redes LoRaWAN requiere menores inversiones en comparación con otras tecnologías inalámbricas. Las puertas de enlace LoRaWAN se pueden instalar en estructuras existentes como edificios o torres, lo que reduce los costos de infraestructura.
• Flexibilidad y escalabilidad: La tecnología LoRaWAN permite un ajuste flexible de los parámetros de transmisión de datos según los requisitos específicos de la aplicación. También es escalable, lo que permite la adición de nuevos dispositivos y la expansión de la red según sea necesario.

Estas ventajas hacen que la tecnología LoRaWAN sea muy atractiva para diversas aplicaciones, incluidas las ciudades inteligentes donde la monitorización de diversos tipos de recursos energéticos y de servicios públicos es esencial.

Experiencia operacional de la tecnología LoRaWAN

Adentrándonos en la teoría, pasemos a la práctica. Comencemos publicando los resultados de la recopilación de perfiles de potencia de medidores con módulos LoRaWAN de uno de nuestros clientes:

En este ejemplo, se utilizan medidores que transmiten datos de intervalo sobre el consumo (cada 30 minutos). La figura presenta estadísticas sobre la calidad de recopilación de dichos datos para un mes calendario, mostrando que no se recopilaron datos completos para ninguno de los medidores.

Abramos la página con el perfil de carga recopilado para uno de los medidores. Aquí puede ver cuándo se produjeron las pérdidas de datos:

Entonces, ¿por qué sucede esto? El sistema construido con tecnología LoRaWAN tiene varias limitaciones. Analicemos todos los factores que deben tenerse en cuenta al construir una red LoRaWAN.

Factor 1: Especificaciones regionales: Cantidad de canales

Los medidores intercambian información con la estación base a través de un canal de radio. Sin embargo, una estación base solo puede recibir datos de un medidor a la vez en un solo canal de radio. Si la transmisión de datos ocurre simultáneamente desde dos o más medidores, se producirá una colisión y la estación base no podrá recibir lecturas de ninguno de los medidores. El momento de la transmisión de datos desde los medidores se selecciona aleatoriamente, por lo que a medida que aumenta el número de medidores, también aumentará la probabilidad de colisiones, lo que podría degradar la calidad de recepción de datos.

Para ampliar la cantidad de medidores atendidos por una sola estación base, la tecnología permite la transmisión de datos a través de múltiples canales de radio simultáneamente. La transmisión simultánea de datos de medidores en diferentes canales no conduce a colisiones. Por lo tanto, la cantidad de canales admitidos es un factor importante en la organización de una red LoRaWAN.

En Estados Unidos, donde se originó la tecnología, el rango de frecuencia sin licencia para la operación LoRaWAN está dentro de 902-928 MHz, lo que permite el uso de los 64 canales como se indica en las especificaciones técnicas.

Sin embargo, en otros países, el espectro radioeléctrico de frecuencias sin licencia puede ser mucho más estrecho. Esto es especialmente cierto en el caso de los países asiáticos. Por ejemplo, en la India, la banda de frecuencias 865-867 MHz está asignada para el funcionamiento de LoRaWAN.

Veamos ahora otro país: Rusia. Aquí, la cantidad de canales está limitada a rangos de frecuencia sin licencia: 864,0 – 865,0 MHz, 866,0 – 868,0 MHz y 868,7 – 869,2 MHz. Teniendo en cuenta la anchura de canal de 125 kHz, los canales disponibles para su uso ascienden a sólo 15. Para ilustrar las limitaciones en el número de canales, presentamos el siguiente esquema:

Al observar este diagrama, se podría argumentar que, en realidad, las estaciones base en los Estados Unidos o en cualquier otra parte del mundo no utilizan los 64 canales para comunicarse con los medidores, por lo que el ancho del rango de frecuencia sin licencia no debería afectar la calidad de la recolección de datos.

Este argumento tiene algo de cierto. Las estaciones base están equipadas con chips SX1301, cada uno de los cuales tiene 8 demoduladores de banda estrecha universal y un demodulador de banda ancha menos versátil. Para admitir los 64 canales de banda estrecha, una estación base necesitaría contener 8 chips SX1301, pero en la práctica, los modelos se producen principalmente con solo uno o dos chips. Esto se debe al aumento significativo de costos asociado con la adición de chips a la estación base.

En las siguientes secciones de este artículo, analizaremos escenarios en los que la limitación en el número de canales en el rango de frecuencia sin licencia puede representar una barrera significativa para aumentar la cantidad de medidores admitidos

Recomendaciones:

• Si tiene previsto conectar un gran número de contadores a una única estación base, elija estaciones base con 2 esquemas SX1301.
• Al configurar los equipos LoRaWAN (servidor, estación base y dispositivos finales), compruebe los ajustes del plan de frecuencias para asegurarse de que se utiliza el máximo número de canales de radio.

Factor 2: Especificaciones regionales: Potencia de transmisión de señal

Otro factor que afecta la velocidad de transmisión de datos es la potencia de transmisión de la señal de radio. Consideremos nuevamente los ejemplos de Estados Unidos y Rusia.

En Estados Unidos, la potencia máxima del transmisor en el rango de frecuencia sin licencia puede ser de hasta 1W, mientras que en Rusia está limitada a no más de 100 mW.

¿Cómo impacta esto en el rendimiento de la red LoRaWAN? Supongamos que hay un dispositivo final ubicado a una distancia X de la estación base LoRaWAN. Este dispositivo transmite datos con una potencia de 100 mW (20 dBm), y la señal llega a la estación base con un nivel de, digamos, -138 dBm. En este caso, la recepción de datos solo será posible con un factor de expansión de SF12, es decir, a la velocidad mínima (293 bits/s).

Si la potencia se aumenta a 1W (30 dBm), la señal que llega a la estación base será 10 dBm más fuerte, a -128 dBm, permitiendo el uso de SF8. La velocidad de transmisión de datos aumentará en más de 10 veces a 3125 bits/s. A mayor velocidad, el dispositivo transmitirá datos más rápido, ocupará menos tiempo en el aire y reducirá la probabilidad de colisiones.

Además, aumentar la potencia permite ampliar el área de cobertura de la estación base. Con una potencia de 1W, los medidores se pueden sondear a una distancia tres veces mayor que con una potencia de 100 mW en las mismas condiciones.

Desafortunadamente, no tenemos recomendaciones para este factor debido a las restricciones legislativas que no se deben violar para evitar sanciones.

Factor 3: Antena

Ahora veamos cómo se produce la comunicación con los medidores.

Cada dispositivo selecciona un canal aleatorio y un tiempo de sesión de transmisión aleatorio para enviar datos. Si su medidor está configurado para confirmar la recepción de datos, esperará una respuesta de la estación base confirmando la recepción exitosa del paquete después de transmitir los datos.

A su vez, la estación base, al recibir datos de los medidores, envía respuestas a la misma velocidad a la que se recibieron los paquetes. Si la señal del medidor es fuerte, la respuesta se enviará a alta velocidad, mientras que para los medidores alejados de la estación base, las respuestas se enviarán a una velocidad reducida.

Por lo general, la estación base utiliza la misma antena para la recepción y transmisión de datos. Es importante entender que una antena solo puede funcionar en un modo a la vez: ya sea recibiendo o transmitiendo datos. Por lo tanto, mientras la estación base responde a un medidor, no puede escuchar a otros. Cuantos más medidores haya en la red, más probabilidades hay de que se produzcan superposiciones cuando los paquetes enviados por los dispositivos coincidan en el tiempo con la transmisión de datos desde la estación base, lo que lleva a una recepción de paquetes fallida.

Para evitar tales problemas, verifique si su estación base admite la conexión de dos antenas: una para recepción y otra para transmisión. Esto puede abordar parcialmente el problema descrito, aunque la segunda antena, durante la transmisión de la respuesta, puede interferir con las señales de los medidores. Para minimizar este efecto negativo, las antenas deben colocarse lo más lejos posible entre sí.

Otra consideración crucial es la ubicación de la antena teniendo en cuenta la dirección de propagación de la señal. Si bien es de conocimiento común que las antenas deben instalarse en el punto más alto, puede que no sea obvio para todos que la señal de los dispositivos debajo de la antena puede no llegar a la estación base debido a:

• El diagrama de radiación de la antena es circular solo en el plano horizontal.
• Puede haber varias obstrucciones en el camino desde el dispositivo hasta la antena, lo que dificulta la propagación de la señal.

Esto es particularmente importante cuando se organiza la recolección de datos de medidores de servicios públicos a través de la red LoRaWAN en edificios de varios pisos.

Recomendaciones:

• Utilice antenas con mayor ganancia para recibir mejor los datos de los medidores y a velocidades más altas.
• Evite configurar la recogida de lecturas de medidores en modo transparente. Este modo implica largas sesiones de transmisión de datos desde la estación base durante las cuales no puede recibir datos de otros medidores.
• No utilice cables largos (máximo 2 metros) para conectar la antena a la estación base. Un aumento en la longitud del cable entre la antena y la estación base provocará una pérdida de sensibilidad de la antena.
• Opte por fabricantes que ofrecen estaciones base con múltiples antenas (para separar la recepción y la transmisión).
• Intente colocar las antenas de recepción y transmisión lo más lejos posible entre sí, teniendo en cuenta que la distancia está limitada por la longitud del cable (2m+2m).
• Tenga en cuenta el diagrama de radiación de la antena. En el plano horizontal, la antena tiene una direccionalidad circular, pero no en el plano vertical. Por lo tanto, la calidad de la comunicación directamente debajo de la antena será peor.
• Instale la antena en el exterior a una altura de 5-7 metros por encima de los edificios circundantes. Instalar la antena en el interior reduce significativamente la sensibilidad de la antena.

Factor 4: Obstáculos e interferencias

Además de los techos y paredes de concreto, los obstáculos para la transmisión de la señal pueden incluir construcciones, vegetación, colinas y elementos similares. Teniendo en cuenta estos factores, la estación base debe ubicarse en un lugar con la menor cantidad de obstáculos posible para alcanzar cada medidor. Sin embargo, la ubicación de los medidores también debe elegirse en áreas con los niveles de señal más altos. Para lograr esto, recomendamos utilizar probadores de red LoRaWAN que muestren el nivel de la señal con la estación base.

Se recomienda no confiar en publicidades que afirmen que todos los medidores dentro de un radio de 3 km serán sondeados. En nuestra experiencia, ha habido casos en áreas urbanas densas donde la señal de la estación base se perdía a una distancia de 300 metros.

También es importante tener en cuenta que en las grandes ciudades se utilizan activamente frecuencias sin licencia. Esto puede causar posibles interferencias de fuentes externas en la red LoRaWAN desplegada, aumentando la probabilidad de que los paquetes de datos distorsionados no sean aceptados por la estación base.

Recomendaciones:

• Al colocar la estación base en el techo de un edificio, instale la antena a una altura mínima de 3 metros sobre el techo para evitar interferencias de barandas y otras estructuras.
• Instale medidores solo después de verificar el nivel de señal con un probador.
• Elija la ubicación de las estaciones base LoRaWAN al menos a 30 metros de otras fuentes de señal de radio que puedan causar interferencias significativas (por ejemplo, estaciones base celulares).
• Asegúrese de que no haya estructuras metálicas u otros objetos que creen una “zona de sombra de radio” o un área de menor intensidad de señal de radio en la ubicación de la estación base.

Factor 5: Volumen de transmisión de datos

Los requisitos modernos para la medición de electricidad van más allá de la recolección de datos de una sola vez por cada día. Las organizaciones de suministro de energía necesitan comprender los parámetros de la electricidad entrante, los patrones de consumo, las notificaciones oportunas de cortes e intentos de intrusos de interferir con las operaciones del medidor. Los consumidores con tarifas horarios requieren una medición por intervalos de alta calidad con datos recibidos cada hora, media hora o incluso cada 15 minutos.

Los medidores modernos ofrecen estas capacidades, pero el aumento significativo en el volumen de datos exige más de los sistemas de transmisión de datos. ¿Puede la tecnología LoRaWAN manejar eficazmente grandes volúmenes de datos?

En nuestra práctica, observamos ejemplos exitosos del uso de redes LoRaWAN donde se transmiten lecturas diarias de medidores. Un paquete con una lectura pesa de 20 a 40 bytes (dependiendo del tipo de módulo de radio y el protocolo). Si el primer paquete no llega a la estación base debido a interferencias o colisiones, el medidor realizará un segundo, tercer intento y posteriores, cuyo número puede ser configurado por el usuario. El medidor tiene todo un día para este proceso. La situación cambia cuando se recolectan datos a intervalos, por ejemplo, cada 30 minutos.

Para almacenar información sobre el consumo cada 30 minutos, el medidor tiene un registro especial: perfil de carga. Recopilar datos con el perfil de carga una vez al día no es adecuado. En primer lugar, se pierde la puntualidad de la recopilación de datos, lo que afecta la velocidad de reacción a los datos que indican problemas en la red eléctrica. En segundo lugar, un archivo diario con datos de media hora “pesa” mucho y existe una alta probabilidad de que no llegue a la estación base debido a interferencias o colisiones. Por lo tanto, la red LoRaWAN tiene que configurada para sesiones de comunicación más frecuentes con medidores, intercambiando paquetes pequeños. Como resultado, con la medición por intervalos, la carga de la red aumenta significativamente porque cada medidor debe transmitir los datos necesarios no en un día, sino en una hora.

Debido al aumento sustancial en la carga de trabajo de la estación base, esta puede atender a un número significativamente menor de medidores de electricidad. Según nuestra experiencia, llegamos a la conclusión de que al proporcionar una medición por hora, una estación base puede atender eficientemente no más de 300 medidores. Con una mayor cantidad de medidores, las estadísticas de recolección de datos se deterioran significativamente.

Recomendación:

• Cuando sea necesaria la medición por intervalos, evite sobrecargar la estación base con una gran cantidad de medidores de electricidad. A medida que aumenta el número de medidores, aumente el número de estaciones base.

Factor 6: Competencia por el tiempo de uso del canal de radio

Supongamos que ha tenido en cuenta todos los factores anteriores y ha configurado con éxito la recepción de datos de los medidores de electricidad a través de la red LoRaWAN con un alto nivel de calidad.

Basándose en su experiencia positiva, la empresa de suministro de agua también ha decidido instalar su propia estación base para sondear medidores de agua.

Los desarrolladores de la tecnología LoRaWAN han tenido esto en cuenta al encriptar los paquetes, evitando que otras estaciones base descifren los datos de sus medidores y que sus estaciones base reconozcan y rechacen los datos de otros medidores.

Pero surge un nuevo problema con el aumento de la carga en la estación base debido a los paquetes “extra”. Los medidores de agua también transmitirán datos simultáneamente con sus medidores, lo que provocará un aumento de las colisiones. El aumento de la carga en la estación base puede degradar el sondeo de los medidores.

Aquí es donde entra en juego la limitación en la cantidad de canales (como se dijo anteriormente). En países con una amplia gama de bandas de frecuencia sin licencia, las redes LoRaWAN que operan en la misma área pero que pertenecen a diferentes organizaciones no compiten por el tiempo de uso del canal, ya que pueden operar en bandas de frecuencia no superpuestas. En países con una gama estrecha de frecuencias permitidas (por ejemplo, Rusia o India), esta posibilidad está ausente, y cada nuevo medidor con un módulo LoRaWAN tendrá un impacto más fuerte en la transmisión exitosa de datos de medidores instalados previamente en la misma área.

Recomendación:

• Antes de implementar una red LoRaWAN, investigue para identificar otras redes LoRaWAN que operen en la misma área. Conozca los rangos de frecuencia en los que están sintonizadas las estaciones base existentes. Configure sus estaciones base para transmitir datos en diferentes canales de radio.

Conclusiones

En nuestra opinión, cualquier tecnología de recolección de datos que aspire a convertirse en un estándar para uso generalizado debe poseer varias cualidades clave: eficiencia económica, funcionalidad “Conectar y usar”, alta confiabilidad en la transmisión de datos, alineación con los requisitos modernos, soporte técnico sencillo, seguridad, escalabilidad, posibilidad de integración y cumplimiento de estándares.

¿Cumple LoRaWAN con estos criterios para la medición de electricidad en las empresas de redes eléctricas urbanas?

Eficiencia económica – Sí, con limitaciones: los medidores habilitados para LoRaWAN tienen costos asequibles, pero el alto precio de las estaciones base puede hacer que no sea rentable para medidores individuales. Económico para dar servicio a alrededor de 50 medidores monofásicos o 30 trifásicos por estación base.

Funcionalidad “Conectar y usar” – Sí, con limitaciones: los medidores se pueden conectar automáticamente a las estaciones base después de la configuración en el servidor LoRaWAN. Es posible que se necesiten algunos ajustes de configuración para una calidad óptima de recolección de datos.

Alta confiabilidad en la transmisión de datos – Sí, con limitaciones significativas: las lecturas diarias se recolectan de manera confiable, pero los factores externos pueden afectar la calidad de los datos, algunos de los cuales pueden estar fuera del control del propietario de la red.

Alineación con los requisitos modernos – No del todo: LoRaWAN puede no proporcionar una recolección de datos por intervalos de calidad para un gran número de medidores, lo que genera problemas con los cálculos horarios y el monitoreo de pérdidas en tiempo real. El problema se agrava en países con altas restricciones en el rango de frecuencia sin licencia y la potencia del transmisor.

Soporte técnico sencillo – No realmente: Requiere conocimientos específicos y monitoreo debido a diversos factores que pueden interrumpir el rendimiento del sistema, lo que requiere especialistas altamente calificados.

Seguridad – Sí: los datos transmitidos por los dispositivos están encriptados, lo que garantiza la seguridad de la transmisión de datos.

Escalabilidad – Sí, con limitaciones: la calidad de la recolección de datos puede degradarse con un mayor número de medidores, lo que requiere más estaciones base para la escalabilidad.

Integración – Sí: las estaciones base operan con un protocolo abierto y son compatibles con dispositivos finales de diferentes fabricantes.

Cumplimiento de estándares – Sí: la eficacia de LoRaWAN como tecnología de Internet de las cosas (IoT) está reconocida a nivel mundial, con estándares nacionales para protocolos LoRaWAN en varios países.

Teniendo en cuenta los puntos anteriores, llegamos a la conclusión de que si bien la tecnología LoRaWAN es adecuada para que las organizaciones de redes eléctricas urbanas recolecten lecturas diarias de manera eficiente, puede no ser ideal para la recolección de datos por intervalos de alta calidad, especialmente con más de 300 medidores por estación base. Es más adecuada para la medición de electricidad en zonas rurales con recolección de lecturas únicas por día.

Este artículo ha sido escrito en coautoría con Valery Myasishchev

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