如何計(jì)算LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)容量？

對(duì)于需要購(gòu)買(mǎi) LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)的人來(lái)說(shuō)，最重要的問(wèn)題是：一個(gè)網(wǎng)關(guān)到底能容納多少個(gè)節(jié)點(diǎn)？我有 N個(gè)節(jié)點(diǎn)，需要配備多少個(gè)網(wǎng)關(guān)才夠用？這沒(méi)有一個(gè)固定和簡(jiǎn)單的答案，計(jì)算方法十分復(fù)雜。本文我們就一起看看應(yīng)該如何計(jì)算？

一、LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)單網(wǎng)關(guān)能容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)量

1、理論值

假設(shè)單個(gè)網(wǎng)關(guān)每天最多可以接收 a個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用發(fā)包頻率是每小時(shí) b個(gè)數(shù)據(jù)包，那么，單個(gè)網(wǎng)關(guān)最多可以容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)目理論值計(jì)算公式如下：

S=a/(24*b)

假設(shè)：?jiǎn)蝹€(gè) LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)搭載一個(gè) SX1301 芯片，那么每天最多可以接收 150 萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)包，如果應(yīng)用發(fā)包頻率是每小時(shí) 1 包，理論上 LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)可以接入節(jié)點(diǎn)的數(shù)目就是

S = 1,500,000/(24*1) = 62,500個(gè)

2、實(shí)際值

上面我們提及的是理論值，實(shí)際上單個(gè)網(wǎng)關(guān)可以容納節(jié)點(diǎn)的數(shù)目實(shí)際值比理論值的計(jì)算要更復(fù)雜。對(duì)于確定的某個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，每天最多可以接收的數(shù)據(jù)包是確定的，難就難在，每個(gè)節(jié)點(diǎn)到底每天發(fā)多少個(gè)包。

在同一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下，我們每天需要該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的總數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是確定的，但是，確定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)到底要以怎樣的封包長(zhǎng)度、發(fā)送速率來(lái)發(fā)送，就不確定了。封包長(zhǎng)度如果不同，勢(shì)必需要發(fā)送包的數(shù)量也就不同。

比如，在不同信號(hào)強(qiáng)度下，所用到的擴(kuò)頻因子 SF不同，那么，能發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度也就不同，每次能發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不同，就會(huì)導(dǎo)致需要分成包數(shù)量不相同，從而導(dǎo)致即使使用同樣的網(wǎng)關(guān)、同樣的節(jié)點(diǎn)，但在節(jié)點(diǎn)的不同業(yè)務(wù)模式下，也會(huì)出現(xiàn)單個(gè)網(wǎng)關(guān)容納節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目并不相同的情況。

對(duì)于有 8 個(gè)信道的網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有 LBT（Listen Before Talk，發(fā)送前監(jiān)聽(tīng)）的前提下，具體的計(jì)算公式為：

信道容量（即節(jié)點(diǎn)數(shù)量）S=8T/2et0

其中，8 代表 8 個(gè)信道，T 代表發(fā)送間隔，跟封包長(zhǎng)度、速率有關(guān)系，1/2e 是基本 Aloha 算法最大吞吐量，e 是常數(shù)等于 2.718，t0 代表單包的 ToA（Time on Air，空中飛行時(shí)間）。在 10 字節(jié)負(fù)載的前提下，速率與單包的 ToA 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示：

舉一個(gè)例子，假如使用 SX1301 芯片，在沒(méi)有 LBT，且平均每個(gè)包空中飛行時(shí)間 t0=100ms（因此t0=0.1s），平均每個(gè)包一分鐘發(fā)一次（因此 T=60s），那么可以容納多少這樣的平均節(jié)點(diǎn)呢？S=8*60/(2*2.718*0.1)=883 ，因此，可以容納 883 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

采用不同算法，也會(huì)導(dǎo)致最大吞吐量的變化，從而引起理論容量的變化。比如，如果前提條件修改成每個(gè)節(jié)點(diǎn)都帶有 LBT 功能，采用時(shí)隙 Aloha 算法而不是之前的基本 Aloha 算法來(lái)評(píng)估。由于算法不同，最大吞吐量也會(huì)不同，此時(shí)最大吞吐量是 1/e，因此信道容量（即節(jié)點(diǎn)數(shù)量）S=8T/et0，理論容量則會(huì)增加一倍，即 883*2=1,766 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3、大致估算

如果不想計(jì)算，我們還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的參考示例做大致估算。

在理想情況下，若發(fā)送 10 字節(jié)、頻次為 10 分鐘，那么一個(gè) 8 通道的網(wǎng)關(guān)差不多可以對(duì)應(yīng) 14,200+個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果是 20 個(gè)字節(jié)、頻次為 10 分鐘，則可以對(duì)應(yīng) 9,900+ 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

頻次跟容量是線性關(guān)系，如果把實(shí)際需要頻次改成發(fā)送是 10 個(gè)字節(jié)、頻次為 60 分鐘。那么，可以推出該 8 通道的網(wǎng)關(guān)差不多可以接入 85,200+ 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在 ADR（Adaptive Data Rate，自適應(yīng)速率）開(kāi)啟、90% 的終端速率大于 DR3（SF9）的場(chǎng)景下，字節(jié)跟容量也差不多是線性關(guān)系，因此，也可以根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景的字節(jié)簡(jiǎn)單代入上述例子得到一個(gè)估計(jì)值。

4、計(jì)算中的注意事項(xiàng)

（1）網(wǎng)關(guān)數(shù)量

通常來(lái)說(shuō)，1 個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠保證 2~3 個(gè)網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)是最好的狀態(tài)。因此，假如根據(jù)上述方式計(jì)算得到總共需要 N 個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)對(duì)應(yīng)所有節(jié)點(diǎn)，那么，應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)，建議最好是使用 2N~3N 個(gè)網(wǎng)關(guān)，而不是 N 個(gè)網(wǎng)關(guān)，來(lái)對(duì)應(yīng)所有的節(jié)點(diǎn)，這樣可以確保數(shù)據(jù)都能接收到。

（2）發(fā)送間隔

對(duì)于發(fā)送間隔，我們建議除了很特殊的應(yīng)用，盡量不要把發(fā)送間隔設(shè)置低于 5s，發(fā)送間隔在分鐘級(jí)別以上比較好。標(biāo)準(zhǔn)的 LoRaWAN?協(xié)議，發(fā)送一個(gè)包至少要保證 2s 的間隔。

SF 發(fā)送 64 字節(jié)的，空口時(shí)間就已經(jīng)接近 3s 了。由于網(wǎng)關(guān)只負(fù)責(zé)透?jìng)鳎袝r(shí)有人會(huì)不遵守 LoRaWAN?關(guān)于空口時(shí)間的要求，因此，即使不遵守LoRaWAN?協(xié)議，物理層也還是可以接收數(shù)據(jù)的，但是這時(shí)候用戶就需要自己去驗(yàn)證、測(cè)試丟包率了。

二、LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)多網(wǎng)關(guān)能容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)量

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，單網(wǎng)關(guān)很多時(shí)候并不能滿足覆蓋和容量的要求。在滿足一定信號(hào)配比的情況下，網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)接收 SF7~SF12 的信號(hào)數(shù)據(jù)。單網(wǎng)關(guān)解調(diào)和覆蓋能力有限制，理論上雖然可以達(dá)到這個(gè)容量，但是實(shí)際上很難。而多網(wǎng)關(guān)部署就可以最大化網(wǎng)絡(luò)容量。因此，實(shí)踐中多網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用很多。

1、固定速率

當(dāng)速率固定時(shí)，如果具備 N 個(gè)網(wǎng)關(guān)，多網(wǎng)關(guān)容量 = 單網(wǎng)關(guān)容量 * N。其中，單網(wǎng)關(guān)的容量可按照第一部分的方法計(jì)算或估算。

2、開(kāi)啟 ADR

當(dāng)開(kāi)啟 ADR 時(shí)，多網(wǎng)關(guān)的容量就不是線性變化了。根據(jù) Smetech 公布的實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，當(dāng)采用 ADR 的時(shí)候，多網(wǎng)關(guān)容量 > 單網(wǎng)關(guān)容量 * N.^2。

注意：除了增加網(wǎng)關(guān)容量之外，開(kāi)啟 ADR 還有助于降低功耗，因?yàn)?ADR 技術(shù)可以根據(jù) LoRa?信號(hào)質(zhì)量自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)的發(fā)送功率。瑞科慧聯(lián)（RAK）的RAK7289 和 RAK7268 系列產(chǎn)品均支持 ADR 功能，它們配合 RAK 的節(jié)點(diǎn)，可以有效降低 LoRa?終端的發(fā)射電流。

3、發(fā)送數(shù)據(jù)階段

（1）開(kāi)啟 ADR

開(kāi)啟 ADR 有一個(gè)好處，就是可以在同樣數(shù)量網(wǎng)關(guān)的前提下盡可能多擴(kuò)充已有網(wǎng)關(guān)的總體容量。

（2）選擇同頻部署

同頻部署可以使節(jié)點(diǎn)連接最近的網(wǎng)關(guān)最大化網(wǎng)絡(luò) ADR 效果，ADR 效果提升則可以讓節(jié)點(diǎn)速率最佳化。速率提升就代表 TOA 降低、容量增加、功耗降低。因此，采用多網(wǎng)關(guān)時(shí)，建議采用同頻部署，因?yàn)橥l比異頻部署能容納更多的節(jié)點(diǎn)。如果實(shí)在無(wú)法滿足同頻部署，再考慮增加異頻網(wǎng)關(guān)。

（3）部署的范圍滿足 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)被 2~3 個(gè)網(wǎng)關(guān)接收

為確保數(shù)據(jù)都能接收到，建議 1 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠保證被 2~3個(gè)網(wǎng)關(guān)接收到。

三、總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，在擁有同樣數(shù)量 LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)的情況下，如果希望容納更多數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，可以從以下幾個(gè)方面著手進(jìn)行改進(jìn)：選擇合適的發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、選擇帶有 LBT 功能的網(wǎng)關(guān)、使用更優(yōu)的算法、開(kāi)啟 ADR、選擇同頻部署。

以上就是計(jì)算 LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)容量的計(jì)算方法，涉及到單網(wǎng)關(guān)和多網(wǎng)關(guān)能容納節(jié)點(diǎn)的數(shù)量計(jì)算。