在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，可以通過添加更多的網(wǎng)關(guān)來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量。密集的LoRaWAN部署和優(yōu)化的ADR(自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率)雙管齊下，在大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量的同時，可將功耗和運營商TCO(總投入成本)降低約10倍。

[[256802]]

LoRaWAN已成為解決低功率廣域網(wǎng)(LPWAN)部署難題的關(guān)鍵無線電技術(shù)之一，包括電源效率、遠(yuǎn)程部署、可擴(kuò)展部署和成本效益等方面的問題。

LoRa聯(lián)盟已經(jīng)有超過500名成員，最近重量級成員，如谷歌、阿里巴巴和騰訊也加入了該聯(lián)盟。

***波LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)部署主要集中在由KPN、Orange、Swisscom等運營商領(lǐng)導(dǎo)的全國范圍的大規(guī)模部署。即將到來的下一波部署浪潮該是該由大型私有企業(yè)來主導(dǎo)，并可實現(xiàn)公共及專用網(wǎng)絡(luò)之間的互連，尤其是涉及LPWAN地理定位的用例。

在物聯(lián)網(wǎng)用例中，運營商和終端客戶偏向于使用LoRaWAN打通連接性。隨著物聯(lián)網(wǎng)部署在密度方面的增長，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不可避免的成為確保運營商和終端客戶長期成功和盈利的重要因素之一。

一個典型的例子是最近由Veolia Birdz公司和Orange簽訂的300萬水表合同。這樣的大規(guī)模的項目需要全而細(xì)致的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，以實現(xiàn)用例所需的密集化和服務(wù)質(zhì)量，同時優(yōu)化成本。

LoRaWAN密集化技術(shù)的進(jìn)一步研究

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)采用的是已有的網(wǎng)絡(luò)頻譜，并且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這使得網(wǎng)絡(luò)部署和正在進(jìn)行的密集化變得簡單：當(dāng)更多網(wǎng)關(guān)被添加到基礎(chǔ)設(shè)施時，不需要進(jìn)行頻率模式規(guī)劃或改組。

與Mesh技術(shù)相比，單跳到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施最小化了功耗，因為節(jié)點不需要中繼來自其他節(jié)點的通信。另一個優(yōu)點是，與Mesh相比，在具有低節(jié)點密度的稀疏模式中部署初始網(wǎng)絡(luò)是可行的，這需要最小的節(jié)點密度來操作。更重要的是, 在干擾不斷增加的情況下, LoRaWAN 不受多跳RF網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所遭受的指數(shù)數(shù)據(jù)包丟失的影響。

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的另一個獨特特點是上行鏈路中的消息可以被任何網(wǎng)關(guān)接收。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的功能是根據(jù)上行鏈路RSSI估計值，消除上行鏈路中的重復(fù)元素，并為下行傳輸選擇***網(wǎng)關(guān)。這使得地理位置等特性輕松地內(nèi)置到LoRaWAN部署中。它還實現(xiàn)了上行鏈路宏分集，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)容量和服務(wù)質(zhì)量(QoS).

LoRaWAN還支持諸如自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率(Adr)等特性，該特性允許網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過下行MAC命令動態(tài)地更改終端設(shè)備的參數(shù)，如發(fā)送功率、頻率和信號擴(kuò)展因子。優(yōu)化這些設(shè)置是提高終端設(shè)備容量和降低功耗的關(guān)鍵。

LoRaWAN參數(shù)的優(yōu)化以及網(wǎng)絡(luò)的密集化會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容量的大幅增加。事實上，網(wǎng)絡(luò)的LoRaWAN容量幾乎可以***期地隨著密度的增加而擴(kuò)大。

圖片來源: Actility

在未來，特別是在城市環(huán)境中，由于流量的增加，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量預(yù)計會變得更多，其未來將向LPWAN發(fā)展。

密集化如何使企業(yè)部署的總投入成本降低?

隨著更多LoRaWAN網(wǎng)關(guān)被部署，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了密集化，自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率(ADR)和功率控制算法也得以在網(wǎng)絡(luò)中智能應(yīng)用，從而大大降低了終端設(shè)備的功耗，減少了終端設(shè)備的總投入成本(TCO).

下面的數(shù)字清楚地表明，密集化可以節(jié)省多達(dá)10倍的電力消耗，并使企業(yè)部署的10年TCO總體減少。更換電池所需的人工是大規(guī)模企業(yè)部署10年TCO的主要成本。

圖片來源: Actility

致密化導(dǎo)致終端設(shè)備的功耗大大降低，從而降低了整體TCO。

圖片來源: Actility

致密化導(dǎo)致終端設(shè)備的功耗大大降低，從而降低了整體TCO。

LoRaWAN通常部署在未經(jīng)授權(quán)的頻譜中，允許任何人在LoRaWAN的基礎(chǔ)上推出物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這里有三種網(wǎng)絡(luò)部署模型：

1. 公共運營商網(wǎng)絡(luò)

在這種傳統(tǒng)模式中，運營商投資于一個區(qū)域或全國范圍的網(wǎng)絡(luò)，并向其客戶銷售連接服務(wù)。

2. 私人/企業(yè)網(wǎng)絡(luò)

在此模型中，企業(yè)客戶通常在私人場所設(shè)置LORAWAN網(wǎng)關(guān)(例如機(jī)場)。他們要么擁有由運營商管理的網(wǎng)關(guān)，要么使用自己的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)平臺。第二種部署模式是用于密集設(shè)備用例的游戲改變器，因為網(wǎng)絡(luò)容量和增強(qiáng)的QoS可以略微增加成本。這是可行的，因為LoRaWAN在未經(jīng)許可的頻譜中運行，并且網(wǎng)關(guān)非常便宜，易于部署。

3. 混合模型

這是LoRaWAN所部署的最有趣的模型，因為它的開放架構(gòu)。是不可能(或者更確切地說是困難的)與其他LPWAN技術(shù)或蜂窩網(wǎng)絡(luò)相競爭的。這是由于特定頻譜與公共網(wǎng)絡(luò)之間沒有漫游模型所致。對此，有一些解決方案，來自3GPP的CBRS和MulteFire等計劃，但它們?nèi)栽谘邪l(fā)過程中，并且遠(yuǎn)未達(dá)到大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署的成熟度，特別是對于需要10-15年電池壽命的用例。

在混合模式中，運營商在全國范圍內(nèi)提供輕型的戶外覆蓋，但不同的利益相關(guān)者，如私營企業(yè)或個人可以根據(jù)其所在場所的需要來強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的密度。這種模式實現(xiàn)了雙贏的私人或公共合作伙伴關(guān)系，可以共享網(wǎng)絡(luò)的成本和收入，并使應(yīng)用程序和設(shè)備最多的網(wǎng)絡(luò)變得密集。

這個模型是可行的，因為多個網(wǎng)關(guān)可以接收LoRaWAN消息，并且網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以刪除重復(fù)的內(nèi)容。針對不同運營商或企業(yè)運營網(wǎng)絡(luò)的情況，lora 聯(lián)盟已經(jīng)批準(zhǔn)了 "lorwan 后端接口1.0 規(guī)范" 中的漫游體系結(jié)構(gòu), 以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作。

這種模式大大減少了運營商的投資，并提供了一種顛覆性的商業(yè)模式，以便在最需要的地方建立物聯(lián)網(wǎng)。

圖片來源: Actility

LoRaWAN允許公私部署，允許基于成本和收益共享的合作模型，并根據(jù)IOT應(yīng)用程序的需求，對其最需要的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行密集化。

LoRaWAN密集化：降低運營商TCO的關(guān)鍵驅(qū)動因素

在設(shè)計和部署LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)時，系統(tǒng)運營商必須平衡密集網(wǎng)絡(luò)及其服務(wù)傳感器的成本與稀疏網(wǎng)絡(luò)以及它的服務(wù)傳感器的成本。

1. 傳統(tǒng)與機(jī)會主義網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的部署模型中，運營商在電信塔上部署LORAWAN網(wǎng)關(guān)。這需要從塔樓所有者那里租賃空間，購買一個防水的室外網(wǎng)關(guān)，爬上塔樓掛起網(wǎng)關(guān)，或許還需要支付額外的電力、分區(qū)、許可和返程費用。操作員需進(jìn)行詳細(xì)的射頻傳播研究，并掛起足夠的網(wǎng)關(guān)，為所需服務(wù)的傳感器位置提供足夠的覆蓋。

另一個選擇是機(jī)會性地在運營商已經(jīng)部署的設(shè)備中部署“母”網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是無狀態(tài)的，因此不會給主機(jī)設(shè)備增加太多復(fù)雜性。 使用USB或I2C將8通道LoRaWAN參考設(shè)計與主機(jī)設(shè)備配對。運營商可以將簡單的8通道網(wǎng)關(guān)嵌入到正在進(jìn)行的WiFi熱點、電源、放大器、電纜調(diào)制解調(diào)器、恒溫器、虛擬助手或任何已經(jīng)投入的大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備中。

計算出特定地區(qū)的機(jī)會主義網(wǎng)關(guān)的數(shù)量是有一定的難度的。網(wǎng)關(guān)的高度對網(wǎng)關(guān)的覆蓋有很大的影響。部署在樓層第20層的網(wǎng)關(guān)具有比部署在單戶住宅地下室的同一個網(wǎng)關(guān)更好的覆蓋率。部署在電線桿上的WiFi熱點上的網(wǎng)關(guān)與部署在電線桿上的網(wǎng)關(guān)有著不同的覆蓋區(qū)域。因此，部署在每個場景中的網(wǎng)關(guān)的實際數(shù)量變化很大。

當(dāng)完成每種網(wǎng)絡(luò)類型的詳細(xì)設(shè)計時，通常會發(fā)現(xiàn)，機(jī)會主義的部署模式允許運營商以大約十分之一的成本，來部署大約100倍的網(wǎng)關(guān)來覆蓋給定的區(qū)域(與傳統(tǒng)的第三方租賃塔樓模型相比)。

2. 水表：一個典型的用例

對于本分析的其余部分，我們將假設(shè)運營商需要部署一個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)來服務(wù)100 K水表。水表是一種困難的RF傳播模型。它們安裝在地面或地下，必須有20年的使用期，且郊區(qū)的儀表往往會被草和泥土覆蓋。讓我們假設(shè)一個北美部署模型，我們可以選擇使用高功率(27dBm)或低功率(17dBm)儀表。

一個可能的設(shè)計是采用基于塔的方法。在以塔為基礎(chǔ)的方法中，運營商通常會部署高功率水表，以減少昂貴的塔式租賃的數(shù)量。為了在高功率下運行，北美法規(guī)要求傳感器通過50多個通道發(fā)送，這促使運營商部署64通道網(wǎng)關(guān)。

假設(shè)水表與塔基網(wǎng)關(guān)之間的平均距離為3公里，傳感器每天需要發(fā)送一次讀數(shù)。因此，許多儀表在27 dBm的SF 10下運行。傳感器設(shè)計器包括一個高功率射頻放大器，計算傳感器壽命期間的能量需求，并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電池的大小。

另一種可能的設(shè)計是機(jī)會主義地向該地區(qū)部署數(shù)千條“母”網(wǎng)關(guān)。問題歸結(jié)為：“我需要多少條“母”網(wǎng)關(guān)來覆蓋所需的區(qū)域?”

在許多城市環(huán)境中，給定運營商與用戶之間的平均距離為30米。如果運營商可以在大多數(shù)站點中機(jī)會性地部署，那么網(wǎng)關(guān)間的距離將小至30米。為了進(jìn)行分析，我們假設(shè)傳感器和最近的網(wǎng)關(guān)之間的平均距離從3000米減少到100米。當(dāng)傳感器距離網(wǎng)關(guān)100米時，它通常可以在SF7處以17dBm(或更低)的功耗運行。顯然，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員必須考慮給定傳感器與其最近網(wǎng)關(guān)之間的距離分布，但總體上看，節(jié)能效果還是很顯著的。

將基于鐵塔的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘颗c機(jī)會主義LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘窟M(jìn)行比較也具有指導(dǎo)意義。100個8通道機(jī)會主義網(wǎng)關(guān)的費用約為單個64通道網(wǎng)關(guān)的1/10，且機(jī)會主義的網(wǎng)絡(luò)容量是基于塔的網(wǎng)絡(luò)容量的13倍。隨著傳感器密度的增加，我們可以部署額外的機(jī)會主義網(wǎng)關(guān)，獲得傳統(tǒng)上約130倍的網(wǎng)絡(luò)容量，成本與基于塔的網(wǎng)絡(luò)相同。

當(dāng)我們比較使用SF10在27 dBm使用20年的傳感器和使用SF7在17 dBm使用20年的傳感器的成本時，發(fā)現(xiàn)通過部署更密集的網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器至少可以節(jié)省10美元。

當(dāng)考慮其他用例時，密集的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)模型為每一組額外的傳感器節(jié)省了傳感器費用。大多數(shù)傳感器沒有使用20年的要求，節(jié)約的成本就不一而論了，但是電池是任何傳感器成本的主要驅(qū)動因素之一。

結(jié)語

一個大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署可能需要在一定數(shù)量的傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行，以提供一個“保護(hù)傘”的覆蓋，然后加強(qiáng)使用機(jī)會主義的方法。通過對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行密集化，使傳感器的總功率預(yù)算大大降低。我們還可以設(shè)想一種部署模型，其中一個機(jī)會主義網(wǎng)關(guān)與一組服務(wù)一起部署。運營商將把基于物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)添加到現(xiàn)有的服務(wù)中(比如語音/視頻/數(shù)據(jù)、恒溫器控制或個人助理)，傳感器將與網(wǎng)關(guān)共存。

LoRaWAN的未來是什么?

在網(wǎng)絡(luò)中智能地使用ADR算法時，LoRaWAN具有顯著的容量增益和大幅度降低功耗及TCO的優(yōu)點。

歐盟已有16個頻譜，但最近對監(jiān)管框架作了修改，以放寬頻譜要求，增加發(fā)射功率、占空比和頻道數(shù)目。

此外，Semtech發(fā)布了Lora芯片組的***版本，具有以下關(guān)鍵特性：

• 接收模式下功率減少50%
• 擴(kuò)展20%的小區(qū)覆蓋范圍
• 22 dBm發(fā)射功率
• 尺寸減少45%，為4mm×4mm
• 全球連續(xù)頻率覆蓋范圍：150~960MHz
• 具有指令顯示的簡化用戶界面
• 支持密集網(wǎng)絡(luò)的SF5新擴(kuò)展因子
• 與現(xiàn)有部署的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)兼容的協(xié)議

LoRaWAN的容量取決于用例的區(qū)域和形態(tài)參數(shù)。上述LoRaWAN特性和即將對歐盟法規(guī)的更改將在未來數(shù)年內(nèi)大幅擴(kuò)展未授權(quán)的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序和用例的需求。

如前所述，如果仔細(xì)部署網(wǎng)絡(luò)并使用先進(jìn)的算法(如ADR)，網(wǎng)絡(luò)容量就會急劇增加，TCO也會大幅減少。隨著未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求和廣度，這將是決定LoRaWAN部署成功的主要因素之一。

LoRaWAN可提供創(chuàng)新的公共或私有部署模型，在該模型中，運營商可以通過私人或企業(yè)的網(wǎng)關(guān)，逐步增加容量并補(bǔ)充額外的容量。通常，對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)來說，在網(wǎng)絡(luò)邊緣有5-10%的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處于癱瘓狀態(tài)。這尤其適用于深層室內(nèi)節(jié)點(例如，智能儀表的穿透損耗增加了30分貝)。

這樣的節(jié)點只能通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的密集化來覆蓋，但只對5-10%的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行加密，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足用例需求的。解決此問題的一種方法是在單元格邊緣部署私有LoRaWAN，并使用一個綜合了LoRaWAN和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的多技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)平臺.

另一方面，LoRaWAN提供了一種成本效益高的方式來增加網(wǎng)絡(luò)容量。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)具有很高的成本效益，可以使用以太網(wǎng)/3G/4G回程部署，與3GPP小型蜂窩相比，投資最小。這樣就可以一種性價比較高的方式建立物聯(lián)網(wǎng).運營商可以根據(jù)應(yīng)用需求逐步擴(kuò)展這些網(wǎng)絡(luò)。

Lora聯(lián)盟已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了漫游功能，這使得多個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)同服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

LoRa聯(lián)盟已將漫游功能標(biāo)準(zhǔn)化，使多個LoRaWAN網(wǎng)關(guān)能夠協(xié)同服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備?？绮渴鹗褂玫暮甓鄻有允惯\營商/企業(yè)能夠聯(lián)合強(qiáng)化其網(wǎng)絡(luò)，從而以更低的成本提供更好的覆蓋，例如，工業(yè)用例。如下文所示，LoRaWAN的未來將是通過與公共網(wǎng)絡(luò)漫游的私人/企業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署和顛覆性商業(yè)模式。

圖片來源: Actility

LoRaWAN提供水平連接解決方案，以滿足LPWAN部署對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的廣泛需求。但是，只有網(wǎng)絡(luò)解決方案供應(yīng)商專有的智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器算法才能實現(xiàn)這些優(yōu)勢。