解密如何實現(xiàn)LoRa覆蓋規(guī)劃及仿真評估，打造高品質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

2018年騰訊在深圳建設(shè)了一個超大規(guī)模的LoRa網(wǎng)絡(luò)，而在這個網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，騰訊基于SIRADEL的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和智慧城市規(guī)劃工具，實現(xiàn)了深圳市重點區(qū)域LoRa網(wǎng)絡(luò)的仿真和優(yōu)化。

1 引言

LoRa網(wǎng)絡(luò)一般按業(yè)務(wù)部署需求進行局部建設(shè)，主要集中在智慧城市、智慧樓宇、智慧農(nóng)業(yè)等場景，既有室外也有室內(nèi)應(yīng)用場景，例如資產(chǎn)或貨物追蹤、抄表類應(yīng)用，以及井蓋、停車位、煙霧、會議室等監(jiān)測。

無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重要環(huán)節(jié)，以有效解決容量、覆蓋、干擾等問題，提高網(wǎng)絡(luò)利用效率、提高投資的收益率，目前在LoRa網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之前，真正使用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具進行覆蓋仿真和優(yōu)化的項目很少，實際業(yè)務(wù)部署時，仍會存在室外覆蓋盲區(qū)、室內(nèi)深度覆蓋不足的問題。

2LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃方案

在進行LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化之前，首先需要確定業(yè)務(wù)部署的區(qū)域范圍、業(yè)務(wù)對速率、功耗等性能要求，以及業(yè)務(wù)部署場景需求，確定室外、室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指標(biāo)。

2.1 LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃指標(biāo)考慮因素

對LoRa而言，擴頻因子可反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平以及可達到的業(yè)務(wù)速率。不同擴頻因子支持的速率和功耗有所差異，不同擴頻因子要求的解調(diào)門限也不同。因此需了解部署業(yè)務(wù)的性能需求。

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，還需要考慮不同業(yè)務(wù)部署場景的差別，要求網(wǎng)絡(luò)達到的覆蓋程度也有所不同。室外網(wǎng)關(guān)能覆蓋室外和一定程度的室內(nèi)，但并不一定能覆蓋所有的場景，例如地下室及更深的室內(nèi)覆蓋采用室外網(wǎng)關(guān)覆蓋的難度很大，需采用室內(nèi)網(wǎng)關(guān)進行補充。例如室外地上業(yè)務(wù)路燈控制、環(huán)境監(jiān)測、資產(chǎn)/貨物追蹤，一般無需考慮建筑物的穿透損耗，但是對于室內(nèi)抄表、智能家居、煙感等終端，則需考慮不同程度的室內(nèi)穿透損耗，例如淺層穿透損耗10-18dB，深度穿透損耗24-30dB等。

2.2 LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃指標(biāo)

LoRa覆蓋規(guī)劃指標(biāo)可以從業(yè)務(wù)性能和信號強度或質(zhì)量兩個維度來表征，同時還要考慮覆蓋滿足概率，一般考慮95%的覆蓋率。

業(yè)務(wù)性能，由于不同擴頻因子對應(yīng)不同的速率、傳輸時長、功耗等性能指標(biāo)，因此可考慮采用上行擴頻因子或下行擴頻因子，作為其業(yè)務(wù)性能目標(biāo)。LoRa以上行業(yè)務(wù)為主，需滿足上行業(yè)務(wù)性能需求，同時保證下行可正確解調(diào)和接收。在明確了業(yè)務(wù)性能需求之后，結(jié)合實際LoRa設(shè)備的天線增益、發(fā)射功率、解調(diào)門限、干擾水平等因素，可知對信號強度或質(zhì)量的要求，如果同區(qū)域內(nèi)部署有多種業(yè)務(wù)，則應(yīng)以性能要求高的業(yè)務(wù)確定規(guī)劃指標(biāo)。

例如，考慮覆蓋優(yōu)先，以擴頻因子12作為業(yè)務(wù)規(guī)劃目標(biāo)，若綜合考慮終端節(jié)電、速率、容量性能，考慮以擴頻因子10作為規(guī)劃指標(biāo)，當(dāng)然也可以根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求確定擴頻因子的規(guī)劃指標(biāo)。

此外，在進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃時，除了用戶的業(yè)務(wù)性能之外，還要綜合考慮網(wǎng)關(guān)的整網(wǎng)性能，例如上行數(shù)據(jù)包重復(fù)率也是很重要的指標(biāo)，即單個數(shù)據(jù)包同時被接收的網(wǎng)關(guān)數(shù)量。

3LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋仿真評估和優(yōu)化

仿真評估，是可以結(jié)合3D地圖、站址信息評估區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果的方案，并不斷迭代仿真得出滿足覆蓋規(guī)劃指標(biāo)的站址信息。除了明確覆蓋規(guī)劃指標(biāo)外，仿真評估兩個重要的條件是LoRa網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真工具和地圖。

仿真評估具體步驟為：

1、明確覆蓋范圍、覆蓋規(guī)劃指標(biāo)和覆蓋場景。

2、確定仿真參數(shù)，包括LoRa設(shè)備天線輻射類型、天線增益、發(fā)射功率、工作頻率、解調(diào)門限，以及干擾、損耗等參數(shù)，準(zhǔn)備3D地圖和現(xiàn)有站址信息（站高、經(jīng)緯度等）。

3、仿真迭代和優(yōu)化，評估網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，輸出滿足規(guī)劃指標(biāo)要求的站址信息，進而估算覆蓋半徑。

4  基于S_IoT工具的LoRa網(wǎng)絡(luò)仿真評估和優(yōu)化案例

S_IoT工具是SIRADEL的一款仿真軟件，SIRADEL專注于無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和未來智慧城市規(guī)劃等領(lǐng)域，是Volcano 5G無線傳播模型和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計與優(yōu)化專家，在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)致密化方面擁有豐富的經(jīng)驗。SIRADEL生產(chǎn)3D數(shù)字孿生城市、數(shù)據(jù)驅(qū)動協(xié)作平臺，并利用仿真和大數(shù)據(jù)功能，為智能化基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)和改善城市居民生活提供解決方案。S_IoT工具擁有領(lǐng)先的3D射線追蹤傳播模型Volcano和先進的3D可視化功能，可用于仿真評估當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的室外和室內(nèi)覆蓋，以及新增或調(diào)整網(wǎng)關(guān)之后的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況。同時，S_IoT工具對大量的物聯(lián)網(wǎng)專用指標(biāo)進行評估，例如網(wǎng)關(guān)地理分布的影響，在有移動設(shè)備的應(yīng)用場景，S_IoT還會對定位精度的評估指標(biāo)進行考量。

騰訊在深圳部署了首個LoRa物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化的過程中，騰訊基于SIRADEL的S_IoT工具，對深圳市重點區(qū)域的LoRa網(wǎng)絡(luò)進行了仿真評估，并根據(jù)評估結(jié)果，對LoRa網(wǎng)絡(luò)的部署和建設(shè)進行優(yōu)化，從而提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果和用戶體驗。

本次仿真評估，采用深圳5米高精度的三維地圖，采用Volcano無線傳播模型對深圳典型密集城區(qū)環(huán)境進行仿真評估，更接近真實環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。一方面得到了初期網(wǎng)絡(luò)所能達到的室內(nèi)外不同位置用戶上行接收功率、上行接收質(zhì)量、擴頻因子、接收網(wǎng)關(guān)數(shù)量等指標(biāo)，用于評估網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。另一方面，根據(jù)覆蓋規(guī)劃指標(biāo)和候選站點的情況，仿真評估得到滿足不同覆蓋程度的站址調(diào)整和優(yōu)化建議。

評估結(jié)果顯示，深圳LoRa網(wǎng)絡(luò)在核心城區(qū)已實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了室內(nèi)深度覆蓋。以深圳南山區(qū)為例，室外上行鏈路擴頻因子小于或等于10的占比達到99%以上，這意味著覆蓋范圍的終端能以較低發(fā)射功率實現(xiàn)較高速率。目前，已根據(jù)仿真評估結(jié)果輸出的建議，完成南山區(qū)某智慧社區(qū)的站址優(yōu)化，進一步補充室內(nèi)深度覆蓋，以滿足室內(nèi)LoRa業(yè)務(wù)節(jié)點的部署需求。

深圳南山區(qū)室外LoRa上行擴頻因子分布

S_IoT物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃工具下的某智慧社區(qū)的局部接收功率覆蓋圖

5 結(jié)語

LoRa廣覆蓋是其重要特征之一，其連續(xù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署值得探索和研究，在實際項目部署和應(yīng)用中，也可考慮分場景、按需局部部署LoRa網(wǎng)絡(luò)。

本文介紹LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃和仿真評估優(yōu)化方案，并基于S_IoT工具對騰訊深圳LoRa網(wǎng)絡(luò)進行仿真評估，以快速獲取網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能評判結(jié)果和滿足不同覆蓋程度的優(yōu)化方案。在滿足覆蓋性能要求的情況下，明確LoRa網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指標(biāo)，按照仿真評估結(jié)果進行實際環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可以節(jié)約建設(shè)時間和成本。