薛宏利，蔡澤祥，譚煒豪，孫宇嫣，胡凱強(qiáng)，岑伯維

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640)

0 引言

隨著能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的實(shí)施和電力通信技術(shù)的發(fā)展，海量分布式能源設(shè)備與電力用戶等通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大規(guī)模接入電網(wǎng)。為了促進(jìn)廣泛的新能源開發(fā)利用，建立用戶和電網(wǎng)之間多樣化、自主可控的互動(dòng)模式，電力物聯(lián)網(wǎng)需要海量異構(gòu)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)作為信息化和智能化的支撐，催生出電力物聯(lián)網(wǎng)多樣化的通信需求，從而實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的泛在接入和全方位感知[1 - 6]。

LoRa是一種基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻方式的無(wú)線傳輸技術(shù)，具有組網(wǎng)靈活、部署成本低和覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智慧醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域[7 - 10]。在電力通信領(lǐng)域，LoRa支持海量終端接入、傳輸距離長(zhǎng)、傳輸速率適中和發(fā)射頻段公開有利于建設(shè)電力無(wú)線專網(wǎng)等，十分契合低壓集抄業(yè)務(wù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通信需求，較其他無(wú)線通信技術(shù)具有良好的適用性，能夠更好地滿足電力領(lǐng)域某些場(chǎng)景下“小數(shù)據(jù)”業(yè)務(wù)通信需求和電力無(wú)線專網(wǎng)建設(shè)要求，為電力物聯(lián)網(wǎng)感知層業(yè)務(wù)終端接入提供了一種良好的解決方案[11 - 17]。

目前針對(duì)LoRa技術(shù)的研究主要集中在應(yīng)用前景和理論分析等方面。文獻(xiàn)[18]探討了LoRa在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景并提出了一種適用于配用電系統(tǒng)的云端能源物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，為能源物聯(lián)網(wǎng)海量廣泛的“小數(shù)據(jù)”連接提供可行方案，但未對(duì)LoRa在電力物聯(lián)網(wǎng)中的通信性能進(jìn)行量化分析和驗(yàn)證。在理論分析方面，文獻(xiàn)[19]剖析了LoRa在物理層調(diào)制信號(hào)的過(guò)程，并對(duì)其調(diào)制特性進(jìn)行理論分析和數(shù)學(xué)擬合，重點(diǎn)關(guān)注LoRa物理層的調(diào)制特性，未涉及MAC層的研究，無(wú)法反映LoRa的實(shí)際通信性能。在以上研究基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[20 - 21]對(duì)比分析了不同MAC層協(xié)議對(duì)LoRa通信性能的影響，并提出了一種MAC層協(xié)議優(yōu)化方案，但未考慮業(yè)務(wù)場(chǎng)景、終端數(shù)量等對(duì)LoRa通信性能的影響。綜合考慮LoRa物理層和MAC的技術(shù)細(xì)節(jié)，文獻(xiàn)[22]利用NS- 3仿真軟件對(duì)LoRa物理層和MAC層進(jìn)行建模，并進(jìn)一步考慮了終端數(shù)量和距離等因素影響，為本文定量分析LoRa通信性能提供了一種新思路，但NS- 3的操作復(fù)雜且可視化不強(qiáng)，難以進(jìn)行推廣和應(yīng)用。文獻(xiàn)[23]借助OPNET仿真軟件量化分析配用電監(jiān)控系統(tǒng)的通信性能，OPNET層次化、圖形化的建模機(jī)制為通信建模提供了一種直觀有效的實(shí)現(xiàn)方法。

綜上所述，現(xiàn)階段缺乏深入量化分析LoRa通信性能的工具和研究方法，無(wú)法對(duì)LoRa在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的通信性能和適用性等進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證，難以科學(xué)合理地指導(dǎo)其工程化應(yīng)用的開展。本文結(jié)合文獻(xiàn)[22]和文獻(xiàn)[23]的建模思路和方法，根據(jù)LoRa通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)約，通過(guò)OPNET仿真軟件對(duì)LoRa通信進(jìn)行報(bào)文信息和關(guān)鍵設(shè)備的自定義建模。進(jìn)一步結(jié)合LoRa在電力物聯(lián)網(wǎng)低壓集抄和環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用場(chǎng)景，配置業(yè)務(wù)類型、設(shè)備數(shù)量和接入距離等進(jìn)行多場(chǎng)景通信性能仿真，量化分析LoRa通信網(wǎng)絡(luò)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的實(shí)時(shí)性、可靠性和業(yè)務(wù)支撐能力等表現(xiàn)。仿真結(jié)果表明建模方法可行有效，同時(shí)相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)論為L(zhǎng)oRa在電力物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用提供科學(xué)合理的決策依據(jù)。

1 LoRa通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)約

LoRaWAN在LoRa物理層調(diào)制基礎(chǔ)上增加MAC層協(xié)議等規(guī)約，定義了LoRa通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)約和星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。LoRa通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分為3層，自上而下為應(yīng)用層、MAC層和物理層。本節(jié)深入剖析LoRa通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)約，為基于OPNET仿真平臺(tái)的LoRa通信建模提供理論基礎(chǔ)。

1.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層為L(zhǎng)oRa終端進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)接入提供底層網(wǎng)絡(luò)接口，為網(wǎng)關(guān)和上層服務(wù)器提供用于通信的應(yīng)用程序，使得LoRa通信能夠靈活應(yīng)用于各種實(shí)際場(chǎng)景中。

1.2 MAC層

MAC層規(guī)定了LoRa終端具有Class A、Class B和Class C 3種工作模式，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的通信需求。其中Class A模式是LoRa終端必須實(shí)現(xiàn)的工作模式，在終端每次發(fā)送上行數(shù)據(jù)后都會(huì)緊跟兩個(gè)短暫的下行接收窗口，Class B模式在Class A模式的基礎(chǔ)上增加了指定時(shí)間打開的窗口，Class C在Class A休眠時(shí)間也打開窗口接收下行信息。本文重點(diǎn)討論Class A模式下LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的性能。

Class A工作模式設(shè)置每個(gè)終端以ALOHA協(xié)議規(guī)定的方式接入網(wǎng)絡(luò)，即可以在隨機(jī)時(shí)刻通過(guò)無(wú)線信道傳輸數(shù)據(jù)。在每次傳輸上行數(shù)據(jù)之后，終端會(huì)延遲RECEIVE_DELAY1和RECEIVE_DELAY2依次打開兩個(gè)下行數(shù)據(jù)Ack(Acknowledgement)的接收窗口RX1和RX2，如圖1所示，終端在接收Ack完成或達(dá)到接收窗口最大時(shí)間后，立即關(guān)閉接收窗口并進(jìn)入休眠。

圖1 Class A模式打開接收窗口示意圖Fig.1 Schematic diagram of opening the receiving window in Class A mode

1.3 物理層

物理層規(guī)定了LoRa通信網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備在調(diào)制解調(diào)或數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要配置的各種參數(shù)，如擴(kuò)頻因子、信道頻率、編碼率、帶寬等，LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率R如式(1)所示。

(1)

式中：SF為擴(kuò)頻因子，SF∈{7,8,9,10,11,12}；CR為編碼率；BW為帶寬。

LoRa在物理層調(diào)制技術(shù)所獲得的性能可以用誤碼率PBER和信噪比Γ之間的關(guān)系來(lái)描述，而LoRa調(diào)制特性一般是經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或仿真得到，不同擴(kuò)頻因子下的LoRa調(diào)制特性曲線如圖2所示[24]，反映了物理層的傳輸特性。

圖2 LoRa調(diào)制特性曲線Fig.2 LoRa modulation characteristic curves

2 基于OPNET的LoRa通信建模

OPNET仿真軟件提供了層次化、圖形化的建模機(jī)制，可以從進(jìn)程域、節(jié)點(diǎn)域和網(wǎng)絡(luò)域?qū)νㄐ啪W(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文信息、傳輸協(xié)議、通信設(shè)備等單元進(jìn)行建模。圖形化的操作界面比NS- 3更加適應(yīng)多場(chǎng)景仿真，有利于大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景下的通信網(wǎng)絡(luò)性能仿真分析。本節(jié)基于對(duì)LoRa通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)約的分析，借助OPNET仿真軟件對(duì)LoRa通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自定義建模，建立報(bào)文信息和關(guān)鍵設(shè)備等模型，為量化評(píng)價(jià)LoRa通信網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用場(chǎng)景中的通信性能提供有效的分析工具。

2.1 LoRa報(bào)文信息建模

LoRa報(bào)文信息格式如圖3所示，上送信息在應(yīng)用層、MAC層和物理層進(jìn)行逐步封裝或解析，來(lái)自網(wǎng)關(guān)的確認(rèn)信息相比于上送信息在報(bào)文結(jié)構(gòu)上缺少了載荷校驗(yàn)碼(CRC)。

圖3 LoRa報(bào)文格式Fig.3 LoRa message format

2.2 關(guān)鍵設(shè)備建模

2.2.1 LoRa終端建模

LoRa終端將采集到的數(shù)據(jù)在應(yīng)用層、MAC層和物理層依次進(jìn)行封裝，接著經(jīng)過(guò)物理層調(diào)制成無(wú)線信號(hào)傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)，最后LoRa終端接收Ack確認(rèn)信息，完成采集數(shù)據(jù)上送，在OPNET中LoRa終端的節(jié)點(diǎn)模型如圖4所示。

圖4 LoRa終端節(jié)點(diǎn)模型Fig.4 LoRa terminal node model

1)應(yīng)用層：通過(guò)修改OPNET自帶bursty_source進(jìn)程模型，使其具有周期發(fā)送LoRa格式報(bào)文的功能，然后加載至Source模塊完成采集數(shù)據(jù)、封裝和轉(zhuǎn)發(fā)至MAC層的功能。

2)MAC層：Terminal_MAC模塊負(fù)責(zé)將來(lái)自應(yīng)用層的報(bào)文進(jìn)一步封裝并通過(guò)ALOHA協(xié)議隨機(jī)發(fā)送至物理層，發(fā)送完成后等待確認(rèn)信息判斷是否重發(fā)。通過(guò)自定義建模將Terminal_MAC模塊的進(jìn)程模型分為4個(gè)狀態(tài)機(jī)，如圖5所示。INIT狀態(tài)機(jī)對(duì)MAC層參數(shù)進(jìn)行初始化，SLEEP狀態(tài)機(jī)模擬終端休眠狀態(tài)，ACTIVE狀態(tài)機(jī)模擬終端激活并發(fā)送數(shù)據(jù)，RECEIVE狀態(tài)機(jī)模擬終端上送數(shù)據(jù)后等待確認(rèn)信息，狀態(tài)機(jī)之間通過(guò)中斷觸發(fā)轉(zhuǎn)移或執(zhí)行相應(yīng)功能。

圖5 Terminal_MAC進(jìn)程模型Fig.5 Terminal_MAC process model

3)物理層：無(wú)線發(fā)信機(jī)tx和無(wú)線收信機(jī)rx模擬LoRa終端物理調(diào)制和解調(diào)制的通信過(guò)程，通過(guò)整定參數(shù)建模的方法調(diào)整工作頻段、帶寬、數(shù)據(jù)速率、調(diào)制曲線等參數(shù)，可以模擬不同工作條件和環(huán)境下的LoRa網(wǎng)絡(luò)空中傳輸性能。LoRa傳感器終端的基本工作頻段統(tǒng)一設(shè)置為868 MHz，采用125 kHz的傳輸帶寬，發(fā)送功率設(shè)為20 dB[25]。

2.2.2 LoRa網(wǎng)關(guān)建模

LoRa網(wǎng)關(guān)接收來(lái)自LoRa終端的上送報(bào)文，并對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析校驗(yàn)然后發(fā)送Ack確認(rèn)信息到LoRa終端，LoRa網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)模型如圖6所示。

圖6 LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模型Fig.6 LoRa gateway node model

1)應(yīng)用層：Sink模塊接收來(lái)自LoRa終端上傳的報(bào)文，并統(tǒng)計(jì)報(bào)文傳輸過(guò)程中的延時(shí)、丟包率、吞吐量等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。

2)MAC層：Gateway_MAC模塊對(duì)來(lái)自物理層的上送報(bào)文進(jìn)行MAC層的校驗(yàn)，確認(rèn)報(bào)文接收成功后發(fā)送Ack確認(rèn)信息，完成數(shù)據(jù)接收。采用自定義建模的方式將Gateway_MAC進(jìn)程模型分為5個(gè)狀態(tài)機(jī)，如圖7所示。INIT狀態(tài)機(jī)對(duì)MAC層參數(shù)進(jìn)行初始化，IDLE狀態(tài)機(jī)表示空閑狀態(tài)等待下一個(gè)中斷到來(lái)，INSERT_sub狀態(tài)機(jī)表示將上送報(bào)文插入到隊(duì)列，pk_arrival狀態(tài)機(jī)表示判斷報(bào)文格式是否正確，Ack_send狀態(tài)機(jī)表示發(fā)送確認(rèn)信息，狀態(tài)機(jī)之間通過(guò)中斷觸發(fā)轉(zhuǎn)移或執(zhí)行相應(yīng)功能。

圖7 Gateway_MAC進(jìn)程模型Fig.7 Gateway_MAC process model

3)物理層：LoRa網(wǎng)關(guān)的物理層與LoRa終端物理層模型相匹配，需要配置對(duì)應(yīng)的調(diào)制參數(shù)。

2.3 LoRa無(wú)線信道建模

LoRa無(wú)線信道模型模擬了數(shù)據(jù)信號(hào)在LoRa終端與LoRa網(wǎng)關(guān)之間從發(fā)射端到接收端所經(jīng)歷無(wú)線傳輸路徑的過(guò)程，比如衰落、多徑等特性。在OPNET無(wú)線信道建模流程Pipeline Stage中，通過(guò)設(shè)置發(fā)收信機(jī)天線增益和路徑損耗為Okumura-Hata 模型來(lái)模擬LoRa無(wú)線信道在城市環(huán)境下的大尺度衰落特性[3]。如式(2)所示，可以求得收信機(jī)在不同環(huán)境中的接收功率Pr。利用OPNET模擬干擾噪聲功率Pi和背景噪聲功率Pb計(jì)算信道所處環(huán)境的信噪比Γ，如式(3)所示。進(jìn)一步按照LoRa調(diào)制曲線推導(dǎo)出無(wú)線傳輸?shù)恼`比特率PBER，其余無(wú)線信道特性，如傳輸時(shí)延、多徑等采用OPNET自帶模型計(jì)算得出，綜合以上過(guò)程刻畫LoRa無(wú)線信道模型。

Pr=69.55+26.16log(fc)-13.82log(ht)-

α(hr)+(44.9-6.15log(ht))log(D)γ

(2)

Γ=10log[Pr/(Pb+Pi)]

(3)

式中：fc為發(fā)收信機(jī)工作頻段；ht為有效發(fā)射天線高度；hr為有效接收天線高度；D為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離；α(hr)為天線高度修正因子；γ為信號(hào)傳播距離修正因子。

3 面向電力物聯(lián)網(wǎng)的LoRa通信網(wǎng)絡(luò)仿真與性能分析

3.1 仿真案例

選取某低壓配電臺(tái)區(qū)內(nèi)集抄業(yè)務(wù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)作為L(zhǎng)oRa通信應(yīng)用的仿真案例，如圖8所示。

圖8 仿真案例Fig.8 Simulation case

在低壓配電臺(tái)區(qū)配備一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)以及許多LoRa終端，智能電表和環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器利用RS485與LoRa終端接連，并通過(guò)LoRa終端經(jīng)LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳采樣數(shù)據(jù)至LoRa網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯聚和處理，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的接入，然后通過(guò)光纖、4G/5G等廣域通信手段與電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)等進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

低壓集抄業(yè)務(wù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)周期性上傳采樣數(shù)據(jù)，上傳頻率分別為次/15 min、次/min，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程提出一定的通信性能要求，利用通信服務(wù)質(zhì)量(quality of service, QoS)指標(biāo)時(shí)延和丟包率從實(shí)時(shí)性和可靠性兩方面來(lái)描述其通信約束，如表1所示。

表1 業(yè)務(wù)特性及其通信約束Tab.1 Business characteristics and communication constraints

通過(guò)OPNET仿真軟件，本文結(jié)合仿真案例選取報(bào)文信息模型、關(guān)鍵設(shè)備模型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ偷却罱嫦螂娏ξ锫?lián)網(wǎng)的LoRa通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型，量化分析LoRa通信網(wǎng)絡(luò)在電力物聯(lián)網(wǎng)中的通信性能、適用性和業(yè)務(wù)支撐能力等表現(xiàn)。

3.2 仿真場(chǎng)景

本文選取業(yè)務(wù)類型、設(shè)備數(shù)量和接入距離等因素作為研究切入點(diǎn)，為L(zhǎng)oRa終端配置不同擴(kuò)頻因子，探討LoRa通信網(wǎng)絡(luò)在不同場(chǎng)景下的單業(yè)務(wù)通信性能，場(chǎng)景設(shè)置如表2所示。

表2 仿真場(chǎng)景Tab.2 Simulation scenario

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 通信性能及適用性分析

LoRa網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的匯聚點(diǎn)，接收所有LoRa終端上傳的數(shù)據(jù)，當(dāng)LoRa終端配置不同擴(kuò)頻因子SF時(shí)，LoRa網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的最大延時(shí)如表3所示。

表3 網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的最大延時(shí)Tab.3 Maximum delay for the gateway to receive data

從表3可以看出，場(chǎng)景1、2、3、5在LoRa終端配置擴(kuò)頻因子SF=7～12的情況下，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的最大延時(shí)在0.051～0.707 s之間，具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。隨著擴(kuò)頻因子SF增大，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的最大延時(shí)呈非線性上升，當(dāng)擴(kuò)頻因子達(dá)到11或12時(shí)，在場(chǎng)景4、6、7、8中分別達(dá)到1.674 s、1.007 s、1.088 s和2.026 s，已經(jīng)超過(guò)1 s的通信約束，已經(jīng)無(wú)法滿足業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性的需求。

在不同仿真場(chǎng)景下，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的丟包率如表4所示。

表4 網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的丟包率Tab.4 Packet loss rate of the data received by the gateway

由表4可知，從場(chǎng)景1到場(chǎng)景8在LoRa終端配置所有擴(kuò)頻因子下，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的丟包率均在10-6～10-4數(shù)量級(jí)，具有較強(qiáng)的可靠性。隨著擴(kuò)頻因子增大，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)的丟包率明顯降低，LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性顯著提高。

從業(yè)務(wù)類型角度來(lái)看，環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上送頻率大于低壓集抄業(yè)務(wù)，報(bào)文傳輸產(chǎn)生沖突的概率提高，導(dǎo)致丟包和重傳，通信延時(shí)和丟包率增大。通過(guò)對(duì)比場(chǎng)景1和2、場(chǎng)景2和3可知LoRa終端數(shù)量增加和傳輸距離擴(kuò)大均會(huì)導(dǎo)致通信延時(shí)和丟包率增大。

理論上，LoRa物理層調(diào)制過(guò)程中增加擴(kuò)頻因子將數(shù)據(jù)信息調(diào)制成更多的碼片進(jìn)行傳輸，能夠從噪音中提取出更多的有效數(shù)據(jù)，減小了丟包率，但在同樣碼片數(shù)量條件下降低了傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)的效率，使得數(shù)據(jù)傳輸速率(比特率)減小，傳輸延時(shí)增加[26]。綜合表3和表4可知，LoRa終端提高擴(kuò)頻因子進(jìn)行傳輸時(shí)，犧牲數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性而增強(qiáng)了傳輸?shù)目煽啃?。因此，仿真結(jié)果表明LoRa通信網(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)符合理論預(yù)期，從而驗(yàn)證了基于OPNET的LoRa通信建模與仿真方法的有效性。

3.3.2 業(yè)務(wù)支撐能力分析

隨著接入設(shè)備數(shù)量上升，LoRa通信網(wǎng)絡(luò)性能呈非線性變化趨勢(shì)下降，因此在通信約束下，LoRa通信存在最大業(yè)務(wù)支撐能力的限制。探討LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)支撐能力，對(duì)于LoRa通信在電力物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的工程規(guī)劃和建設(shè)具有重要意義。本節(jié)將從延時(shí)和丟包率兩方面，分析LoRa通信對(duì)業(yè)務(wù)的支撐能力。

以低壓集抄業(yè)務(wù)場(chǎng)景為例，設(shè)智能電表的接入半徑為1 km，LoRa終端配置不同擴(kuò)頻因子時(shí)，隨著接入設(shè)備數(shù)量增加，網(wǎng)關(guān)接入數(shù)據(jù)的最大延時(shí)變化如圖9所示。

圖9 網(wǎng)關(guān)接入低壓集抄業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的最大延時(shí)變化圖Fig.9 Maximum delay change diagram of gateway access to low-voltage centralized automatic meter reading service data

由圖9可知，隨著智能電表數(shù)量增加，擴(kuò)頻因子越小，延時(shí)增大趨勢(shì)越緩，能夠支撐的智能電表數(shù)量越大。通過(guò)仿真結(jié)果分析得出，在不同擴(kuò)頻因子下LoRa通信的最大支撐能力具有很大差異，當(dāng)SF=7時(shí)，為2 200個(gè)，當(dāng)SF=12時(shí)，為600個(gè)。

隨著接入智能電表數(shù)量增加，網(wǎng)關(guān)接入數(shù)據(jù)的丟包率變化如圖10所示。

圖10 網(wǎng)關(guān)接入低壓集抄業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的丟包率變化圖Fig.10 Change graph of packet loss rate of gateway access to low-voltage centralized automatic meter reading service data

由圖10可知，隨著智能電表數(shù)量增加，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的丟包率也不斷上升，可以通過(guò)調(diào)大擴(kuò)頻因子來(lái)降低數(shù)據(jù)的丟包率，提高LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。當(dāng)擴(kuò)頻因子SF=7時(shí)，最大支撐能力為2 100個(gè)，當(dāng)擴(kuò)頻因子SF=12時(shí)，最大支撐能力超過(guò)2 500個(gè)。

與之類似，當(dāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的接入半徑為1 km，配置LoRa終端不同擴(kuò)頻因子時(shí)，隨著接入設(shè)備數(shù)量增加，網(wǎng)關(guān)接入數(shù)據(jù)的最大延時(shí)變化如圖11所示。

圖11 網(wǎng)關(guān)接入環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的最大延時(shí)變化圖Fig.11 Maximum delay change diagram of gateway access environmental monitoring service data

由圖11可知，在通信延時(shí)約束下，當(dāng)擴(kuò)頻因子SF=7時(shí)，最大支撐能力為1 700個(gè)，當(dāng)擴(kuò)頻因子SF=12時(shí)，最大支撐能力僅為400個(gè)。

同理，隨著接入傳感器數(shù)量增加，網(wǎng)關(guān)接入數(shù)據(jù)的丟包率變化如圖12所示。

從圖12可以看出，在通信丟包率約束下，當(dāng)擴(kuò)頻因子SF=7時(shí)，最大支撐能力為1 600個(gè)，當(dāng)擴(kuò)頻因子SF=12時(shí)，最大支撐能力超過(guò)2 500個(gè)。

綜合圖9—12，在實(shí)時(shí)性和可靠性的雙重通信約束下，LoRa通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)低壓集抄業(yè)務(wù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的最大支撐能力如表5所示。

由表5可知，LoRa通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)低壓集抄和環(huán)境監(jiān)測(cè)這兩種業(yè)務(wù)的最大支撐能力受擴(kuò)頻因子的影響較大。當(dāng)終端數(shù)量為1 000～2 000時(shí)，建議LoRa終端擴(kuò)頻因子采用7～9，業(yè)務(wù)通信具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性；當(dāng)終端數(shù)量小于1 000時(shí)，建議LoRa終端擴(kuò)頻因子采用10～12，業(yè)務(wù)通信具有較強(qiáng)的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于LoRa通信規(guī)約，依托OPNET仿真軟件建立了LoRa通信模型，包括報(bào)文信息模型、關(guān)鍵設(shè)備模型、無(wú)線通信信道模型，為量化分析LoRa在電力物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用性能提供了有效的工具。結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中低壓集抄和環(huán)境監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性能進(jìn)行仿真分析，量化評(píng)價(jià)多場(chǎng)景下的LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)、適用性和業(yè)務(wù)支撐能力。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文建模方法的有效性，同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)論為L(zhǎng)oRa在電力物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用提供了科學(xué)合理的決策依據(jù)。