對于無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的用戶、開發(fā)人員或運營商而言，很多事情都很重要——安全性、服務質量 (QoS)、可靠性、能耗等。所有這些都很重要，但有一個參數(shù)始終位居榜首：成本。可以說，它比其他任何東西都更能阻止物聯(lián)網(wǎng)的崇高預測的實現(xiàn)。造成這種成本的一個主要因素一直未被認識到：網(wǎng)絡容量。

網(wǎng)絡容量 無線網(wǎng)絡的主要成本顯然與無線鏈路兩端的硬件相關：基站和終端設備。額外的成本，如數(shù)據(jù)處理、存儲等，這里不考慮，因為我們只是比較OTA鏈接技術。所有三種技術的終端設備物料清單成本相當相等；至少這些差異基本上可以忽略不計，所以我們也不考慮這些。

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

通常，我們將網(wǎng)絡容量視為同時連接到單個基站的終端設備數(shù)量的衡量標準，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)有效負載如何影響容量計算以下。

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

圖 1：根據(jù)歐盟法規(guī)，三種流行 LPWAN 技術的 MAC 吞吐量。 我們是如何計算的？ 我們對建模標準做出了客觀假設。事實上，我們的假設比其他已發(fā)表的模型為 Sigfox 和 LoRa 建議的要保守得多。我們聲明了標準——它們是：

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

? 計算計劃上行鏈路容量

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

? Weightless-P：0.625 Kbps 的 –134-dBm 靈敏度，歐盟 Tx 功率為 14 dBm，美國 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 3.8 公里

? LoRa MAC 吞吐量基于 Ingenu 白皮書，但刪除了對重復率的過度保守假設

? 通過假設 50% 的協(xié)議開銷和 50% 的 UL 半雙工比率來吸收由于時隙粒度造成的容量損失

在任何無線系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)吞吐量決定了可實現(xiàn)的網(wǎng)絡容量。更高的數(shù)據(jù)吞吐量可以實現(xiàn)更大的數(shù)據(jù)包、更頻繁的傳輸和更多的端點。這些基本參數(shù)是可擴展性辯論中的關鍵因素。增加其中任何一項，您都在對網(wǎng)絡的可擴展性進行壓力測試。讓我們看一個典型的場景。

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

首先，對于這個例子，我們可以根據(jù) 8 字節(jié)的有效負載限制對 Sigfox 進行折扣，但我使用它作為比較網(wǎng)絡容量的基礎，所以讓我們繼續(xù) - 每 15 分鐘 200 字節(jié)等于 800 字節(jié)/小時或，以每秒比特數(shù)表示，1.78 BPS。MAC 吞吐量除以終端設備數(shù)據(jù)吞吐量將為我們定義可以服務的節(jié)點數(shù)量——這就是數(shù)據(jù)速率和容量之間的聯(lián)系方式。

網(wǎng)絡容量（每個基站的端點）。

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

對擁有成本的影響 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。輔助設備可能要花費 4000 美元。現(xiàn)場工程可能需要額外花費 7,000 美元。就 OPEX 而言，站點租金可能約為每年 2.5-4K 美元，回程和通信每年另外需要 2.5-4K 美元。在 10 年的時間跨度內(nèi)，基站的生命周期成本將在 50-8 萬美元之間。底線：在計算總擁有成本時，BST 硬件 BoM 成本幾乎無關緊要。

取這些數(shù)字的下限，5 萬美元，我們可以計算出覆蓋一個典型城市的成本。讓我們以加利福尼亞州的圣地亞哥為例，其人口剛剛超過 300 萬。典型的圣地亞哥家庭有兩個人，有 150 萬個家庭消耗能源——比方說，每個家庭都有一個電表。

擁有成本（基站的生命周期成本為 5 萬美元）。

對于為 150 萬個家庭提供服務的 Sigfox 網(wǎng)絡（假設 Sigfox 的技術適用于此用例），大約需要 1,500,000/789 個基站。這大約是 1,900 個基站，每年的成本約為 950 萬美元。

對于 LoRa，同樣的計算得出 1,500,000/52。這相當于大約 29,000 個基站，每年的成本約為 1440 萬美元。

對于 Weightless-P.，1,500,000/2,769 的相同計算相當于 542 個基站，每年的成本約為 270 萬美元。

這些成本之間的差異幾乎不需要指出，結論很明確：網(wǎng)絡容量很重要。雖然對于某些用例，可能會吸收多個基站的額外成本，但許多其他應用對價格更為敏感且商業(yè)上不可持續(xù)。

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

為了向用戶提供最高的 QoS，有必要為每次傳輸提供來自每個節(jié)點的所有上行鏈路流量的確認。這需要與 MAC 吞吐量本質上相關的下行鏈路能力。因此，對于關鍵用例中真正的最大 QoS，不要問該技術是否具有雙向能力。詢問它是否可以提供 100% 的上行鏈路流量確認，即使在大型網(wǎng)絡中也是如此。并要求供應商定義“大”。

安全性是無線技術的基本障礙之一，原因很容易理解。空中 (OTA) 鏈接是一個關鍵漏洞，對大型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的破壞影響非常嚴重。與大多數(shù) LPWAN 連接技術一樣，Weightless-P 通過終端和網(wǎng)絡端的 AES-128/256 加密和身份驗證為 OTA 鏈路提供高級別的安全性。但沒有任何安全協(xié)議是經(jīng)得起未來考驗的——威脅不斷演變，需要通過不斷變化的保護機制來應對。這不僅需要在鏈路的網(wǎng)絡側而且在終端也能夠更新協(xié)議。由于遠程位置有數(shù)百、數(shù)千或數(shù)萬個終端設備，因此很明顯，只有 OTA 固件升級在商業(yè)上是可行的以保持安全性。沒有其他選擇是現(xiàn)實的，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 吞吐量是此選項的關鍵。

網(wǎng)絡性能實際上是關于管理有限的資源——頻譜。頻譜是限制因素，隨著網(wǎng)絡的增長，頻譜會迅速變得明顯——就部署的終端設備數(shù)量、典型數(shù)據(jù)有效負載的大小以及每單位時間發(fā)送的傳輸數(shù)量而言。頻譜效率高的技術可以維持對所有節(jié)點和所有傳輸?shù)纳闲墟溌妨髁康拇_認。這意味著每個設備都可以通過動態(tài)配置傳輸功率和數(shù)據(jù)速率來響應環(huán)境變化，從而影響其與基站有效通信的能力。這只能通過確認來自每個節(jié)點的每個上行鏈路傳輸來實現(xiàn)。這又一次取決于 MAC 吞吐量。