Для сбора данных и управления объектами ЖКХ, в том числе уличным освещением, большое распространение получила беспроводная технология LoRa. Изначально для нее был выделен диапазон 868 МГц (в некоторых странах — 915 МГц). Но сейчас все большее распространение получают решения на основе LoRa, где используется диапазон 433 МГц. В статье пойдет речь о преимуществах и недостатках данного диапазона, а также о правовых аспектах использования таких систем применительно к нашей стране.
Когда в 2015 г. была представлена технология беспроводной связи LoRa, предполагалось использовать для нее нелицензируемые диапазоны 868 МГц (Европа, Россия, Индия) и 915 МГц (Северная Америка, Австралия). Выбор этих частот был обусловлен их малой загруженностью, а также простотой конструкции и компактностью используемых антенн.
Дальность связи с использованием LoRa может достигать 15 км на открытой местности. Но обычно LoRa применяется в крупных городах, где сложная инфраструктура, а сети мобильной связи испытывают значительную нагрузку (в регионах с малой плотностью населения вместо LoRa используется технология NB-IoT, базирующаяся на сетях мобильной связи). В городе имеется множество препятствий на пути радиосигнала. С 2015 г. произошли значительные изменения в технологиях строительства зданий. Стали использовать больше металлических конструкций, что ухудшает прохождение радиоволн. Поэтому реальная дальность связи LoRa в городе не превышает 3–5 км. Причем есть места, куда сигнал вообще не проходит, поскольку на пути его стоят преграды.
LoRa в Китае
Основным диапазоном для LoRa в этой стране была выбрана полоса частот 470–510 МГц. Она близка к 433 МГц, поэтому дополнительно внедрять еще один диапазон в Китае нет необходимости. Максимальная излучаемая мощность передатчика составляет 50 мВт. На экспорт китайские предприятия выпускают оборудование LoRa с параметрами, соответствующими требованиям страны, куда оно будет поставляться.
Радиоволны способны огибать предметы, размеры которых меньше или сопоставимы с длиной волны. Частоте 868 МГц соответствует длина волны 34,5 см, а частоте 433 МГц — 69 см. Отсюда следует, что металлическую несущую балку сигнал на 433 МГц сможет без проблем обогнуть, а вот на 868 Мгц — уже не всегда.
Топология сетей LoRa
Вне зависимости от диапазона, беспроводные сети LoRa имеют топологию «звезда». В центре ее — базовая станция, которая соединяется по беспроводным каналам с каждым конечным узлом сети. Точно так же, как и в мобильной связи, базовая станция оснащена мощным передатчиком, высокочувствительным приемником и хорошей антенной, что позволяет ей поддерживать устойчивую связь с конечными устройствами на расстоянии до нескольких километров. При этом в конечных узлах стоят намного более простые и дешевые модули LoRa.
В Москве и других крупных российских городах существуют операторы связи, поддерживающие сети LoRa. Подключиться к ним на коммерческой основе может любое предприятие. Организации, занимающиеся уличным освещением, либо пользуются услугами таких операторов, либо разворачивают собственные сети LoRa. Оконечные узлы применительно к уличному освещению обычно представляют собой модули стандарта NEMA цилиндрической формы, устанавливаемые на светильники. Современной тенденцией является применение светодиодных драйверов, в которые модуль LoRa уже встроен.
«Коренные жители» диапазона 433 МГц
Этот диапазон тоже является нелицензируемым. Он стал использоваться для управления освещением еще задолго до появления технологии LoRa. Существует большое семейство проприетарных беспроводных протоколов для управления бытовыми устройствами, объединенных общим названием RF (англ. Radio Frequency — «радиочастота»). Помимо освещения, эти протоколы применяются для управления беспроводными звонками, гаражными воротами, шлагбаумами, вентиляторами, шторами с электроприводом и т. п. на расстоянии до нескольких десятков метров.
К недостаткам RF можно отнести малое количество команд (не более 8) и отсутствие совместимости между оборудованием от различных производителей. Плавная регулировка цвета свечения, в отличие от LoRa, невозможна. На основе RF можно осуществлять связь только между двумя точками, организация сети в протоколах этого семейства не предусмотрена.
Помимо RF устройств, в диапазоне 433 МГц работают также маломощные портативные рации с дальностью связи до 10 км.
Правовые аспекты
Максимально допустимая излучаемая мощность передатчика LoRa определяется Решением Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) от 7 мая 2007 г. № 07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия» с актуальными изменениями. Согласно этому документу, максимальная излучаемая мощность в диапазоне 868,7–869,2 МГц не должна превышать 100 мВт. Верхний предел мощности для диапазона 433,075–434,79 МГц установлен на уровне 20 мВт (–17дБВт, для диапазона 433 МГц исторически принято указывать в документации мощность передатчика в дБВт или дБм).
Необходимость регистрации передатчика определяется Постановлением Правительства РФ от 20 октября 2021 г. № 1800 «О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств». Для LoRa в диапазоне 868 МГц передатчик с излучаемой мощностью до 25 мВт включительно не требует регистрации. Именно такую мощность обычно имеют оконечные устройства. Базовые станции характеризуются более высокой излучаемой мощностью, для них регистрация обязательна. Применительно к 433 МГц оконечные устройства мощностью не более 20 мВт регистрации не требуют. Для прочих радиостанций (кроме систем охранной сигнализации) этого диапазона без регистрации можно обойтись при мощности, не превышающей 10 мВт.
Согласно действующему до сих пор ГОСТ 24375-80 «Радиосвязь. Термины и определения» радиостанция определяется как «один или несколько радиопередатчиков или радиоприемников, или комбинация радиопередатчиков и радиоприемников, включая вспомогательное оборудование, необходимые в определенном месте для организации службы радиосвязи». Базовые станции LoRa соответствуют данному определению, что позволяет при мощности передатчика не более 10 мВт использовать их без регистрации в диапазоне 433 МГц.
Тем не менее диапазон 433 МГц не указан в ГОСТ Р 71168-2023 «Информационные технологии. Интернет вещей. Спецификация LoRaWAN RU». Это не означает запрета, поскольку данный ГОСТ не обязателен к исполнению. Но могут возникнуть проблемы с регистрацией базовой станции мощностью свыше 10 мВт, поскольку для этого ее нужно классифицировать, причем более точно, чем просто как «радиостанцию».
Если вы увидели в зарубежном интернет-магазине оборудование LoRa 433 МГц с излучаемой мощностью свыше 20 мВт (в технических данных указана мощность свыше 13 дБм), советуем воздержаться от его покупки. Использование такого оборудования на территории России противозаконно.
Приведенная в данном разделе информация носит образовательный характер. Официальные сведения по рассматриваемому вопросу можно получить в местном отделении Роскомнадзора.
Применение в России
При существующих в России ограничениях максимальная мощность базовой станции LoRa 433 МГц составит всего 20 мВт (фактически 10 мВт) против 100 мВт у обычной. В итоге выигрыша по дальности связи по сравнению с 868 МГц не получится, скорее, наоборот, дальность из-за низкой мощности будет меньше.
Тем не менее в Россию поставляются светильни-ки зарубежного производства с поддержкой LoRa 433 МГц, относящиеся к следующим категориям:
- подводные;
- грунтовые;
- архитектурные.
Чем больше длина волны, тем на большую глубину она способна проникать под воду. Светильники, создающие световые эффекты в фонтанах и бассейнах, обычно устанавливают на глубине около 0,5 м. Частота 868 МГц на такую глубину не может «пробиться», а вот сигнал 433 МГц — проходит.
Для почвы глубина проникновения радиоволн также зависит от частоты. Поэтому технология LoRa 433 нашла свое применение для управления грунтовыми светильниками.
На зданиях есть места, при размещении в которых можно получить красивый визуальный эффект, но сигнал с частотой 868 МГц туда не всегда проходит (например, при установке в нише на фасаде). Здесь также предпочтительно использовать LoRa 433 Мгц.
Перечисленные типы светильников могут управляться одним из двух способов. Первый — с пульта дистанционного управления, передающего сигналы по протоколу LoRa. Этот пульт позволяет включать/выключать светильники, менять яркость и цвет свечения. Поддерживаются до 8 групп светильников. Второй способ — использования шлюза с поддержкой LoRa. Этот шлюз позволяет управлять освещением со смартфона, на который установлено специальное приложение, а также осуществлять интеграцию с голосовыми помощниками. В обоих случаях мы имеем дело с базовыми станциями, а модули LoRa, встроенные в све-тильники, представляют собой оконечные узлы. Излучаемая мощность таких базовых станций не превышает 10 мВт (10 ДБм), поэтому регистрация для них не нужна. Дальность связи на открытом пространстве не превышает 1–2 км.
Перспективы использования
Ограничение излучаемой мощности устройств в диапазоне 433 МГц значениями 10 и 20 мВт в России — не прихоть бюрократии. Тому есть объективная причина: системы домашней автоматизации у нас десятилетиями строились с учетом данных ограничений. В США мощность передатчика LoRa в диапазоне 433 МГц может достигать 1 Вт, но там такой предел был установлен еще до появления LoRa, и все системы автоматизации проектировались с его учетом. Если у нас повысить верхний предел мощности до 1 Вт, то возникнет множество проблем. Например, ворота в гараже не будут открываться, когда это нужно, и все потому, что в километре от гаража установили мощную базовую станцию.
Тем не менее даже при таких ограничениях технология LoRa 433 МГц вполне пригодна для управления освещением. Базовая станция мощностью 10 мВт способна охватить один объект: фонтан, сквер, жилой комплекс. Эти маломощные станции могут устанавливать сами компании, занимаю-щиеся освещением.
Поднять верхний предел мощности для LoRa 433 МГц в нашей стране, по мнению автора статьи, вполне возможно. Но новое предельное значение должно быть определено в результате серьезных научных исследований, тогда проблемы не возникнут. Для государства это не первостепенная проблема, поэтому оно вряд ли в ближайшие годы профинансирует такие исследования. Отрасль ЖКХ не такая богатая, чтобы такого рода работы спонсировали частные компании. Остается надеяться только на производителей оборудования LoRa, которые заинтересованы в расширении рынков сбыта, причем готовая база для исследований у них имеется.
