如何計算LoRaWAN?網(wǎng)關的網(wǎng)絡容量？

對于需要購買 LoRaWAN?網(wǎng)關的人來說，最重要的問題是：一個網(wǎng)關到底能容納多少個節(jié)點？我有 N個節(jié)點，需要配備多少個網(wǎng)關才夠用？這沒有一個固定和簡單的答案，計算方法十分復雜。本文我們就一起看看應該如何計算？

一、LoRaWAN?網(wǎng)關單網(wǎng)關能容納的節(jié)點數(shù)量

1、理論值

假設單個網(wǎng)關每天最多可以接收 a個數(shù)據(jù)包，每個節(jié)點的應用發(fā)包頻率是每小時 b個數(shù)據(jù)包，那么，單個網(wǎng)關最多可以容納的節(jié)點數(shù)目理論值計算公式如下：

S=a/(24*b)

假設：單個 LoRaWAN?網(wǎng)關搭載一個 SX1301 芯片，那么每天最多可以接收 150 萬個數(shù)據(jù)包，如果應用發(fā)包頻率是每小時 1 包，理論上 LoRaWAN?網(wǎng)關可以接入節(jié)點的數(shù)目就是

S = 1,500,000/(24*1) = 62,500個

2、實際值

上面我們提及的是理論值，實際上單個網(wǎng)關可以容納節(jié)點的數(shù)目實際值比理論值的計算要更復雜。對于確定的某個網(wǎng)關來說，每天最多可以接收的數(shù)據(jù)包是確定的，難就難在，每個節(jié)點到底每天發(fā)多少個包。

在同一個應用場景下，我們每天需要該節(jié)點發(fā)送的總數(shù)據(jù)長度是確定的，但是，確定長度的數(shù)據(jù)到底要以怎樣的封包長度、發(fā)送速率來發(fā)送，就不確定了。封包長度如果不同，勢必需要發(fā)送包的數(shù)量也就不同。

比如，在不同信號強度下，所用到的擴頻因子 SF不同，那么，能發(fā)送數(shù)據(jù)的長度也就不同，每次能發(fā)送數(shù)據(jù)的長度不同，就會導致需要分成包數(shù)量不相同，從而導致即使使用同樣的網(wǎng)關、同樣的節(jié)點，但在節(jié)點的不同業(yè)務模式下，也會出現(xiàn)單個網(wǎng)關容納節(jié)點的最大數(shù)目并不相同的情況。

對于有 8 個信道的網(wǎng)關來說，在沒有 LBT（Listen Before Talk，發(fā)送前監(jiān)聽）的前提下，具體的計算公式為：

信道容量（即節(jié)點數(shù)量）S=8T/2et0

其中，8 代表 8 個信道，T 代表發(fā)送間隔，跟封包長度、速率有關系，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，空中飛行時間）。在 10 字節(jié)負載的前提下，速率與單包的 ToA 的對應關系如下表所示：

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

采用不同算法，也會導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節(jié)點都帶有 LBT 功能，采用時隙 Aloha 算法而不是之前的基本 Aloha 算法來評估。由于算法不同，最大吞吐量也會不同，此時最大吞吐量是 1/e，因此信道容量（即節(jié)點數(shù)量）S=8T/et0，理論容量則會增加一倍，即 883*2=1,766 個節(jié)點。

3、大致估算

如果不想計算，我們還可以通過簡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 8 通道的網(wǎng)關差不多可以對應 14,200+個節(jié)點。如果是 20 個字節(jié)、頻次為 10 分鐘，則可以對應 9,900+ 個節(jié)點。

頻次跟容量是線性關系，如果把實際需要頻次改成發(fā)送是 10 個字節(jié)、頻次為 60 分鐘。那么，可以推出該 8 通道的網(wǎng)關差不多可以接入 85,200+ 個節(jié)點。

在 ADR（Adaptive Data Rate，自適應速率）開啟、90% 的終端速率大于 DR3（SF9）的場景下，字節(jié)跟容量也差不多是線性關系，因此，也可以根據(jù)實際場景的字節(jié)簡單代入上述例子得到一個估計值。

4、計算中的注意事項

（1）網(wǎng)關數(shù)量

通常來說，1 個節(jié)點能夠保證 2~3 個網(wǎng)關接收數(shù)據(jù)是最好的狀態(tài)。因此，假如根據(jù)上述方式計算得到總共需要 N 個網(wǎng)關來對應所有節(jié)點，那么，應用到實際中時，建議最好是使用 2N~3N 個網(wǎng)關，而不是 N 個網(wǎng)關，來對應所有的節(jié)點，這樣可以確保數(shù)據(jù)都能接收到。

（2）發(fā)送間隔

對于發(fā)送間隔，我們建議除了很特殊的應用，盡量不要把發(fā)送間隔設置低于 5s，發(fā)送間隔在分鐘級別以上比較好。標準的 LoRaWAN?協(xié)議，發(fā)送一個包至少要保證 2s 的間隔。

SF 發(fā)送 64 字節(jié)的，空口時間就已經(jīng)接近 3s 了。由于網(wǎng)關只負責透傳，有時有人會不遵守 LoRaWAN?關于空口時間的要求，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，但是這時候用戶就需要自己去驗證、測試丟包率了。

二、LoRaWAN?網(wǎng)關多網(wǎng)關能容納的節(jié)點數(shù)量

在實際應用場景下，單網(wǎng)關很多時候并不能滿足覆蓋和容量的要求。在滿足一定信號配比的情況下，網(wǎng)關可以同時接收 SF7~SF12 的信號數(shù)據(jù)。單網(wǎng)關解調(diào)和覆蓋能力有限制，理論上雖然可以達到這個容量，但是實際上很難。而多網(wǎng)關部署就可以最大化網(wǎng)絡容量。因此，實踐中多網(wǎng)關的應用很多。

1、固定速率

當速率固定時，如果具備 N 個網(wǎng)關，多網(wǎng)關容量 = 單網(wǎng)關容量 * N。其中，單網(wǎng)關的容量可按照第一部分的方法計算或估算。

2、開啟 ADR

當開啟 ADR 時，多網(wǎng)關的容量就不是線性變化了。根據(jù) Smetech 公布的實際測量結(jié)果可知，當采用 ADR 的時候，多網(wǎng)關容量 > 單網(wǎng)關容量 * N.^2。

注意：除了增加網(wǎng)關容量之外，開啟 ADR 還有助于降低功耗，因為 ADR 技術可以根據(jù) LoRa?信號質(zhì)量自動調(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，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）開啟 ADR

開啟 ADR 有一個好處，就是可以在同樣數(shù)量網(wǎng)關的前提下盡可能多擴充已有網(wǎng)關的總體容量。

（2）選擇同頻部署

同頻部署可以使節(jié)點連接最近的網(wǎng)關最大化網(wǎng)絡 ADR 效果，ADR 效果提升則可以讓節(jié)點速率最佳化。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)關時，建議采用同頻部署，因為同頻比異頻部署能容納更多的節(jié)點。如果實在無法滿足同頻部署，再考慮增加異頻網(wǎng)關。

（3）部署的范圍滿足 1 個節(jié)點被 2~3 個網(wǎng)關接收

為確保數(shù)據(jù)都能接收到，建議 1 個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠保證被 2~3個網(wǎng)關接收到。

三、總結(jié)

總的來說，在擁有同樣數(shù)量 LoRaWAN?網(wǎng)關的情況下，如果希望容納更多數(shù)量的節(jié)點，可以從以下幾個方面著手進行改進：選擇合適的發(fā)送數(shù)據(jù)長度、選擇帶有 LBT 功能的網(wǎng)關、使用更優(yōu)的算法、開啟 ADR、選擇同頻部署。

以上就是計算 LoRaWAN?網(wǎng)關容量的計算方法，涉及到單網(wǎng)關和多網(wǎng)關能容納節(jié)點的數(shù)量計算。