對于無線物聯網網絡的用戶、開發人員或運營商而言，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網的崇高預測的實現。造成這種成本的一個主要因素一直未被認識到：網絡容量。

網絡容量 無線網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，如數據處理、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。

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

通常，我們將網絡容量視為同時連接到單個基站的終端設備數量的衡量標準，因此我們將保持這一慣例，并了解 MAC 總吞吐量、傳輸頻率和數據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。這些數字與歐盟法規有關。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：根據歐盟法規，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 自適應數據速率，10-dB 余量，PER 目標 0.1%

? 計算計劃上行鏈路容量

? 平均數據速率由具有正確分配數據速率的隨機定位節點的吞吐量確定

? 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

在任何無線系統中，數據吞吐量決定了可實現的網絡容量。更高的數據吞吐量可以實現更大的數據包、更頻繁的傳輸和更多的端點。這些基本參數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 在公用事業計量領域，15 分鐘的讀數間隔是可接受的默認上行鏈路傳輸頻率。并且一個200字節的數據包被認為是正常的。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 8 字節的有效負載限制對 Sigfox 進行折扣，但我使用它作為比較網絡容量的基礎，所以讓我們繼續 - 每 15 分鐘 200 字節等于 800 字節/小時或，以每秒比特數表示，1.78 BPS。MAC 吞吐量除以終端設備數據吞吐量將為我們定義可以服務的節點數量——這就是數據速率和容量之間的聯系方式。

網絡容量（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 物聯網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字。輔助設備可能要花費 4000 美元。現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，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上不可持續。

在本文中，我們闡述了如何計算 LPWAN 網絡中的 MAC 吞吐量。我們計算了 UNB、NB 和擴頻調制方案的數據，并展示了這些技術中的這個參數如何影響一個重要的交付物：網絡容量。然后我們繼續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。它對物聯網網絡中重要的幾乎所有特征都有影響。它與 QoS、安全性和網絡性能有直接聯系。

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，對大型物聯網網絡的破壞影響非常嚴重。與大多數 LPWAN 連接技術一樣，Weightless-P 通過終端和網絡端的 AES-128/256 加密和身份驗證為 OTA 鏈路提供高級別的安全性。但沒有任何安全協議是經得起未來考驗的——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絡側而且在終端也能夠更新協議。由于遠程位置有數百、數千或數萬個終端設備，因此很明顯，只有 OTA 固件升級在商業上是可行的以保持安全性。沒有其他選擇是現實的，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，隨著網絡的增長，頻譜會迅速變得明顯——就部署的終端設備數量、典型數據有效負載的大小以及每單位時間發送的傳輸數量而言。頻譜效率高的技術可以維持對所有節點和所有傳輸的上行鏈路流量的確認。這意味著每個設備都可以通過動態配置傳輸功率和數據速率來響應環境變化，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點的每個上行鏈路傳輸來實現。這又一次取決于 MAC 吞吐量。