對(duì)于無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)、開(kāi)發(fā)人員或運(yùn)營(yíng)商而言，很多事情都很重要——安全性、服務(wù)質(zhì)量 (QoS)、可靠性、能耗等。所有這些都很重要，但有一個(gè)參數(shù)始終位居榜首：成本?？梢哉f(shuō)，它比其他任何東西都更能阻止物聯(lián)網(wǎng)的崇高預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)。造成這種成本的一個(gè)主要因素一直未被認(rèn)識(shí)到：網(wǎng)絡(luò)容量。

網(wǎng)絡(luò)容量 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的主要成本顯然與無(wú)線(xiàn)鏈路兩端的硬件相關(guān)：基站和終端設(shè)備。額外的成本，如數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)等，這里不考慮，因?yàn)槲覀冎皇潜容^OTA鏈接技術(shù)。所有三種技術(shù)的終端設(shè)備物料清單成本相當(dāng)相等；至少這些差異基本上可以忽略不計(jì)，所以我們也不考慮這些。

網(wǎng)絡(luò)容量可以說(shuō)是我們成本計(jì)算中最重要的參數(shù)。它確定小區(qū)大小，從而確定網(wǎng)絡(luò)中的基站數(shù)量?；緮?shù)量是可行的總擁有成本計(jì)算的主要因素。

通常，我們將網(wǎng)絡(luò)容量視為同時(shí)連接到單個(gè)基站的終端設(shè)備數(shù)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此我們將保持這一慣例，并了解 MAC 總吞吐量、傳輸頻率和數(shù)據(jù)有效負(fù)載如何影響容量計(jì)算以下。

圖 1 顯示了三種流行 LPWAN 技術(shù)的 MAC 吞吐量：LoRa、Sigfox 和 Weightless。這些數(shù)字與歐盟法規(guī)有關(guān)。LoRa 是一種擴(kuò)頻技術(shù)，Sigfox 使用的是超窄帶技術(shù)，Weightless-P 是一種窄帶技術(shù)。

圖 1：根據(jù)歐盟法規(guī)，三種流行 LPWAN 技術(shù)的 MAC 吞吐量。 我們是如何計(jì)算的？ 我們對(duì)建模標(biāo)準(zhǔn)做出了客觀假設(shè)。事實(shí)上，我們的假設(shè)比其他已發(fā)表的模型為 Sigfox 和 LoRa 建議的要保守得多。我們聲明了標(biāo)準(zhǔn)——它們是：

? Weightless-P 自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率，10-dB 余量，PER 目標(biāo) 0.1%

? 計(jì)算計(jì)劃上行鏈路容量

? 平均數(shù)據(jù)速率由具有正確分配數(shù)據(jù)速率的隨機(jī)定位節(jié)點(diǎn)的吞吐量確定

? Weightless-P：0.625 Kbps 的 –134-dBm 靈敏度，歐盟 Tx 功率為 14 dBm，美國(guó) Tx 功率為 27 dBm

? 基于城市 Hata 模型的 Sigfox 和 Weightless-P MAC 吞吐量（BST 天線(xiàn)高度 30 m 和 ED 高度 0.5 m）

? Weightless-P 的覆蓋范圍為歐盟 1.5 公里和美國(guó) 3.8 公里

? LoRa MAC 吞吐量基于 Ingenu 白皮書(shū)，但刪除了對(duì)重復(fù)率的過(guò)度保守假設(shè)

? 通過(guò)假設(shè) 50% 的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)和 50% 的 UL 半雙工比率來(lái)吸收由于時(shí)隙粒度造成的容量損失

在任何無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)吞吐量決定了可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)容量。更高的數(shù)據(jù)吞吐量可以實(shí)現(xiàn)更大的數(shù)據(jù)包、更頻繁的傳輸和更多的端點(diǎn)。這些基本參數(shù)是可擴(kuò)展性辯論中的關(guān)鍵因素。增加其中任何一項(xiàng)，您都在對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性進(jìn)行壓力測(cè)試。讓我們看一個(gè)典型的場(chǎng)景。

智能電表 在公用事業(yè)計(jì)量領(lǐng)域，15 分鐘的讀數(shù)間隔是可接受的默認(rèn)上行鏈路傳輸頻率。并且一個(gè)200字節(jié)的數(shù)據(jù)包被認(rèn)為是正常的。這對(duì) Sigfox、LoRa 和 Weightless 意味著什么？

首先，對(duì)于這個(gè)例子，我們可以根據(jù) 8 字節(jié)的有效負(fù)載限制對(duì) Sigfox 進(jìn)行折扣，但我使用它作為比較網(wǎng)絡(luò)容量的基礎(chǔ)，所以讓我們繼續(xù) - 每 15 分鐘 200 字節(jié)等于 800 字節(jié)/小時(shí)或，以每秒比特?cái)?shù)表示，1.78 BPS。MAC 吞吐量除以終端設(shè)備數(shù)據(jù)吞吐量將為我們定義可以服務(wù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量——這就是數(shù)據(jù)速率和容量之間的聯(lián)系方式。

網(wǎng)絡(luò)容量（每個(gè)基站的端點(diǎn)）。

具有這些上行鏈路特性的 Weightless-P 每個(gè)基站可以處理 2,769 個(gè)端點(diǎn)；LoRa可以管理52個(gè)端點(diǎn)；Sigfox 可以容納 789 個(gè)端點(diǎn)。

對(duì)擁有成本的影響 物聯(lián)網(wǎng)基站的資本支出可能在 5,000 美元左右——我們不要太拘泥于確切的數(shù)字。輔助設(shè)備可能要花費(fèi) 4000 美元。現(xiàn)場(chǎng)工程可能需要額外花費(fèi) 7,000 美元。就 OPEX 而言，站點(diǎn)租金可能約為每年 2.5-4K 美元，回程和通信每年另外需要 2.5-4K 美元。在 10 年的時(shí)間跨度內(nèi)，基站的生命周期成本將在 50-8 萬(wàn)美元之間。底線(xiàn)：在計(jì)算總擁有成本時(shí)，BST 硬件 BoM 成本幾乎無(wú)關(guān)緊要。

取這些數(shù)字的下限，5 萬(wàn)美元，我們可以計(jì)算出覆蓋一個(gè)典型城市的成本。讓我們以加利福尼亞州的圣地亞哥為例，其人口剛剛超過(guò) 300 萬(wàn)。典型的圣地亞哥家庭有兩個(gè)人，有 150 萬(wàn)個(gè)家庭消耗能源——比方說(shuō)，每個(gè)家庭都有一個(gè)電表。

擁有成本（基站的生命周期成本為 5 萬(wàn)美元）。

對(duì)于為 150 萬(wàn)個(gè)家庭提供服務(wù)的 Sigfox 網(wǎng)絡(luò)（假設(shè) Sigfox 的技術(shù)適用于此用例），大約需要 1,500,000/789 個(gè)基站。這大約是 1,900 個(gè)基站，每年的成本約為 950 萬(wàn)美元。

對(duì)于 LoRa，同樣的計(jì)算得出 1,500,000/52。這相當(dāng)于大約 29,000 個(gè)基站，每年的成本約為 1440 萬(wàn)美元。

對(duì)于 Weightless-P.，1,500,000/2,769 的相同計(jì)算相當(dāng)于 542 個(gè)基站，每年的成本約為 270 萬(wàn)美元。

這些成本之間的差異幾乎不需要指出，結(jié)論很明確：網(wǎng)絡(luò)容量很重要。雖然對(duì)于某些用例，可能會(huì)吸收多個(gè)基站的額外成本，但許多其他應(yīng)用對(duì)價(jià)格更為敏感且商業(yè)上不可持續(xù)。

在本文中，我們闡述了如何計(jì)算 LPWAN 網(wǎng)絡(luò)中的 MAC 吞吐量。我們計(jì)算了 UNB、NB 和擴(kuò)頻調(diào)制方案的數(shù)據(jù)，并展示了這些技術(shù)中的這個(gè)參數(shù)如何影響一個(gè)重要的交付物：網(wǎng)絡(luò)容量。然后我們繼續(xù)展示容量如何與成本直接相關(guān)。但出于其他原因，MAC 吞吐量也很重要。它對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中重要的幾乎所有特征都有影響。它與 QoS、安全性和網(wǎng)絡(luò)性能有直接聯(lián)系。

為了向用戶(hù)提供最高的 QoS，有必要為每次傳輸提供來(lái)自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有上行鏈路流量的確認(rèn)。這需要與 MAC 吞吐量本質(zhì)上相關(guān)的下行鏈路能力。因此，對(duì)于關(guān)鍵用例中真正的最大 QoS，不要問(wèn)該技術(shù)是否具有雙向能力。詢(xún)問(wèn)它是否可以提供 100% 的上行鏈路流量確認(rèn)，即使在大型網(wǎng)絡(luò)中也是如此。并要求供應(yīng)商定義“大”。

安全性是無(wú)線(xiàn)技術(shù)的基本障礙之一，原因很容易理解?？罩?(OTA) 鏈接是一個(gè)關(guān)鍵漏洞，對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的破壞影響非常嚴(yán)重。與大多數(shù) LPWAN 連接技術(shù)一樣，Weightless-P 通過(guò)終端和網(wǎng)絡(luò)端的 AES-128/256 加密和身份驗(yàn)證為 OTA 鏈路提供高級(jí)別的安全性。但沒(méi)有任何安全協(xié)議是經(jīng)得起未來(lái)考驗(yàn)的——威脅不斷演變，需要通過(guò)不斷變化的保護(hù)機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)。這不僅需要在鏈路的網(wǎng)絡(luò)側(cè)而且在終端也能夠更新協(xié)議。由于遠(yuǎn)程位置有數(shù)百、數(shù)千或數(shù)萬(wàn)個(gè)終端設(shè)備，因此很明顯，只有 OTA 固件升級(jí)在商業(yè)上是可行的以保持安全性。沒(méi)有其他選擇是現(xiàn)實(shí)的，但是，如果不能提供有效的廣播和多播功能，這根本是不可能的。再一次，MAC 吞吐量是此選項(xiàng)的關(guān)鍵。

網(wǎng)絡(luò)性能實(shí)際上是關(guān)于管理有限的資源——頻譜。頻譜是限制因素，隨著網(wǎng)絡(luò)的增長(zhǎng)，頻譜會(huì)迅速變得明顯——就部署的終端設(shè)備數(shù)量、典型數(shù)據(jù)有效負(fù)載的大小以及每單位時(shí)間發(fā)送的傳輸數(shù)量而言。頻譜效率高的技術(shù)可以維持對(duì)所有節(jié)點(diǎn)和所有傳輸?shù)纳闲墟溌妨髁康拇_認(rèn)。這意味著每個(gè)設(shè)備都可以通過(guò)動(dòng)態(tài)配置傳輸功率和數(shù)據(jù)速率來(lái)響應(yīng)環(huán)境變化，從而影響其與基站有效通信的能力。這只能通過(guò)確認(rèn)來(lái)自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)上行鏈路傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)。這又一次取決于 MAC 吞吐量?！　?/p>