为无线物联网网络选择 LPWAN 技术

对于无线物联网网络的用户、开发人员或运营商而言，很多事情都很重要——安全性、服务质量 (QoS)、可靠性、能耗等。所有这些都很重要，但有一个参数始终位居榜首：成本。可以说，它比其他任何东西都更能阻止物联网的崇高预测的实现。造成这种成本的一个主要因素一直未被认识到：网络容量。

网络容量 无线网络的主要成本显然与无线链路两端的硬件相关：基站和终端设备。额外的成本，如数据处理、存储等，这里不考虑，因为我们只是比较OTA链接技术。所有三种技术的终端设备物料清单成本相当相等；至少这些差异基本上可以忽略不计，所以我们也不考虑这些。

网络容量可以说是我们成本计算中最重要的参数。它确定小区大小，从而确定网络中的基站数量。基站数量是可行的总拥有成本计算的主要因素。

通常，我们将网络容量视为同时连接到单个基站的终端设备数量的衡量标准，因此我们将保持这一惯例，并了解 MAC 总吞吐量、传输频率和数据有效负载如何影响容量计算以下。

图 1 显示了三种流行 LPWAN 技术的 MAC 吞吐量：LoRa、Sigfox 和 Weightless。这些数字与欧盟法规有关。LoRa 是一种扩频技术，Sigfox 使用的是超窄带技术，Weightless-P 是一种窄带技术。

SIGFOX	劳拉	失重-P
MAC 吞吐量比特/秒	1,404	93	4,923

图 1：根据欧盟法规，三种流行 LPWAN 技术的 MAC 吞吐量。 我们是如何计算的？ 我们对建模标准做出了客观假设。事实上，我们的假设比其他已发表的模型为 Sigfox 和 LoRa 建议的要保守得多。我们声明了标准——它们是：

• Weightless-P 自适应数据速率，10-dB 余量，PER 目标 0.1%

• 计算计划上行链路容量

• 平均数据速率由具有正确分配数据速率的随机定位节点的吞吐量确定

• Weightless-P：0.625 Kbps 的 –134-dBm 灵敏度，欧盟 Tx 功率为 14 dBm，美国 Tx 功率为 27 dBm

• 基于城市 Hata 模型的 Sigfox 和 Weightless-P MAC 吞吐量（BST 天线高度 30 m 和 ED 高度 0.5 m）

• Weightless-P 的覆盖范围为欧盟 1.5 公里和美国 3.8 公里

• LoRa MAC 吞吐量基于 Ingenu 白皮书，但删除了对重复率的过度保守假设

• 通过假设 50% 的协议开销和 50% 的 UL 半双工比率来吸收由于时隙粒度造成的容量损失

在任何无线系统中，数据吞吐量决定了可实现的网络容量。更高的数据吞吐量可以实现更大的数据包、更频繁的传输和更多的端点。这些基本参数是可扩展性辩论中的关键因素。增加其中任何一项，您都在对网络的可扩展性进行压力测试。让我们看一个典型的场景。

智能电表 在公用事业计量领域，15 分钟的读数间隔是可接受的默认上行链路传输频率。并且一个200字节的数据包被认为是正常的。这对 Sigfox、LoRa 和 Weightless 意味着什么？

首先，对于这个例子，我们可以根据 8 字节的有效负载限制对 Sigfox 进行折扣，但我使用它作为比较网络容量的基础，所以让我们继续 - 每 15 分钟 200 字节等于 800 字节/小时或，以每秒比特数表示，1.78 BPS。MAC 吞吐量除以终端设备数据吞吐量将为我们定义可以服务的节点数量——这就是数据速率和容量之间的联系方式。

网络容量（每个基站的端点）。

具有这些上行链路特性的 Weightless-P 每个基站可以处理 2,769 个端点；LoRa可以管理52个端点；Sigfox 可以容纳 789 个端点。

对拥有成本的影响 物联网基站的资本支出可能在 5,000 美元左右——我们不要太拘泥于确切的数字。辅助设备可能要花费 4000 美元。现场工程可能需要额外花费 7,000 美元。就 OPEX 而言，站点租金可能约为每年 2.5-4K 美元，回程和通信每年另外需要 2.5-4K 美元。在 10 年的时间跨度内，基站的生命周期成本将在 50-8 万美元之间。底线：在计算总拥有成本时，BST 硬件 BoM 成本几乎无关紧要。

取这些数字的下限，5 万美元，我们可以计算出覆盖一个典型城市的成本。让我们以加利福尼亚州的圣地亚哥为例，其人口刚刚超过 300 万。典型的圣地亚哥家庭有两个人，有 150 万个家庭消耗能源——比方说，每个家庭都有一个电表。

拥有成本（基站的生命周期成本为 5 万美元）。

对于为 150 万个家庭提供服务的 Sigfox 网络（假设 Sigfox 的技术适用于此用例），大约需要 1,500,000/789 个基站。这大约是 1,900 个基站，每年的成本约为 950 万美元。

对于 LoRa，同样的计算得出 1,500,000/52。这相当于大约 29,000 个基站，每年的成本约为 1440 万美元。

对于 Weightless-P.，1,500,000/2,769 的相同计算相当于 542 个基站，每年的成本约为 270 万美元。

这些成本之间的差异几乎不需要指出，结论很明确：网络容量很重要。虽然对于某些用例，可能会吸收多个基站的额外成本，但许多其他应用对价格更为敏感且商业上不可持续。

在本文中，我们阐述了如何计算 LPWAN 网络中的 MAC 吞吐量。我们计算了 UNB、NB 和扩频调制方案的数据，并展示了这些技术中的这个参数如何影响一个重要的交付物：网络容量。然后我们继续展示容量如何与成本直接相关。但出于其他原因，MAC 吞吐量也很重要。它对物联网网络中重要的几乎所有特征都有影响。它与 QoS、安全性和网络性能有直接联系。

为了向用户提供最高的 QoS，有必要为每次传输提供来自每个节点的所有上行链路流量的确认。这需要与 MAC 吞吐量本质上相关的下行链路能力。因此，对于关键用例中真正的最大 QoS，不要问该技术是否具有双向能力。询问它是否可以提供 100% 的上行链路流量确认，即使在大型网络中也是如此。并要求供应商定义“大”。

安全性是无线技术的基本障碍之一，原因很容易理解。空中 (OTA) 链接是一个关键漏洞，对大型物联网网络的破坏影响非常严重。与大多数 LPWAN 连接技术一样，Weightless-P 通过终端和网络端的 AES-128/256 加密和身份验证为 OTA 链路提供高级别的安全性。但没有任何安全协议是经得起未来考验的——威胁不断演变，需要通过不断变化的保护机制来应对。这不仅需要在链路的网络侧而且在终端也能够更新协议。由于远程位置有数百、数千或数万个终端设备，因此很明显，只有 OTA 固件升级在商业上是可行的以保持安全性。没有其他选择是现实的，但是，如果不能提供有效的广播和多播功能，这根本是不可能的。再一次，MAC 吞吐量是此选项的关键。

网络性能实际上是关于管理有限的资源——频谱。频谱是限制因素，随着网络的增长，频谱会迅速变得明显——就部署的终端设备数量、典型数据有效负载的大小以及每单位时间发送的传输数量而言。频谱效率高的技术可以维持对所有节点和所有传输的上行链路流量的确认。这意味着每个设备都可以通过动态配置传输功率和数据速率来响应环境变化，从而影响其与基站有效通信的能力。这只能通过确认来自每个节点的每个上行链路传输来实现。这又一次取决于 MAC 吞吐量。　　

      审核编辑：彭静