前言

對(duì)于需要購(gòu)買(mǎi)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的人來(lái)說(shuō)，可能最重要的一個(gè)問(wèn)題就是：一個(gè)網(wǎng)關(guān)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)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)才夠用？?

很可惜的是，這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案。

一、LoRaWAN網(wǎng)關(guān)單網(wǎng)關(guān)能容納的節(jié)點(diǎn)的數(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)包的話，那么，單個(gè)網(wǎng)關(guān)最多可以容納的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目的理論值的計(jì)算式如下：

S=a/(24*b)。

比如，單個(gè)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)如果搭載一個(gè)SX1301芯片的話，其每天最多可以接收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包的話，那么理論上該LoRaWAN網(wǎng)關(guān)可以接入的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目 S = 1500000/(24*1) = 62500個(gè)。

2、實(shí)際值

單個(gè)網(wǎng)關(guān)可以容納的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目的實(shí)際值比理論值的計(jì)算要復(fù)雜的多。對(duì)于確定的某個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，其每天最多可以接收的數(shù)據(jù)包也是確定的，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)送的總的數(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)送的包的數(shù)量也就不同。

比如，在不同的信號(hào)強(qiáng)度下，所用到的擴(kuò)頻因子SF也不同，那么，能發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度也就不同，每次能發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不同就會(huì)導(dǎo)致需要分成的包的數(shù)量也不相同，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(發(fā)包前監(jiān)聽(tīng)信道)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）。

在10字節(jié)負(fù)載的前提下，速率與ToA的關(guān)系如表1所示。

表1 在10字節(jié)負(fù)載的前提下，LoRaWAN的速率與單包的空中飛行時(shí)間ToA的對(duì)應(yīng)表格

舉一個(gè)例子，假如使用SX1301芯片，在沒(méi)有LBT(發(fā)包前監(jiān)聽(tīng)信道)的情況下，并且平均每個(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)。

而且，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，則由于算法不同，導(dǎo)致最大吞吐量不同，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?，從而 ，則理論容量增加一倍，即883*2=1766個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3、大致估算

如果不想計(jì)算，那么，我們還可以通過(guò)以下簡(jiǎn)單的參考例，來(lái)做大致的估算。

在網(wǎng)關(guān)信號(hào)覆蓋較號(hào)的情況下，90%的信號(hào)強(qiáng)度滿足SF9以上的速率的前提下，若發(fā)送50字節(jié)，5s頻次，則一個(gè)8通道的網(wǎng)關(guān)差不多可以對(duì)應(yīng)40個(gè)終端/節(jié)點(diǎn)。

頻次跟容量是線性關(guān)系，因此，如果實(shí)際需要的頻次改成比如發(fā)送是10s頻次，那么，可以推出該8通道的網(wǎng)關(guān)差不多可以接入80個(gè)終端/節(jié)點(diǎn)。

在ADR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)易的代入上述例子來(lái)獲取一個(gè)估計(jì)值。

4、注意事項(xiàng)

（1）網(wǎng)關(guān)數(shù)量

由于最好1個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠保證2~3個(gè)網(wǎng)關(guān)能接收到數(shù)據(jù)，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)所有的節(jié)點(diǎn)，那么，具體到實(shí)際運(yùn)用中，建議需要用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)，以確保數(shù)據(jù)都能接收到。

（2）發(fā)送間隔

除非很特殊的應(yīng)用，否則不太建議發(fā)送間隔低于5s，一般來(lái)說(shuō)，發(fā)送間隔至少在分鐘級(jí)別以上比較好。

標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN協(xié)議，發(fā)送一個(gè)包需要至少保證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。而如果不遵守LoRaWAN的關(guān)于空口時(shí)間的要求，則雖然由于網(wǎng)關(guān)只負(fù)責(zé)透?jìng)鳎虼耍词共蛔袷豅oRaWAN協(xié)議，則物理層也可以接收數(shù)據(jù)，但是這時(shí)候用戶(hù)就需要自己去驗(yàn)證測(cè)試丟包率。

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

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，單網(wǎng)關(guān)并不能滿足覆蓋和容量的要求。

在滿足一定的信號(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)和覆蓋能力受限制，理論可以達(dá)到這個(gè)容量，但是實(shí)際上比較難， 但是多網(wǎng)關(guān)部署，就可以最大化網(wǎng)絡(luò)容量。因此，實(shí)踐中，往往更多的是用到了多網(wǎng)關(guān)。

1、固定速率

當(dāng)速率固定時(shí)，如果具備N(xiāo)個(gè)網(wǎng)關(guān)，那么，多網(wǎng)關(guān)的容量 = 單網(wǎng)關(guān)的容量 * N。

其中，單網(wǎng)關(guān)的容量可按照第一部分來(lái)計(jì)算或估算。

2、開(kāi)啟ADR

當(dāng)開(kāi)啟ADR的時(shí)候，那么，多網(wǎng)關(guān)的容量就不是線性的變化了。

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)的容量 > 單網(wǎng)關(guān)的容量 * N.^2。

小Tip：而且，除了增加網(wǎng)關(guān)容量之外，開(kāi)啟ADR還有助于降低功耗，原因是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。RAK7249/RAK7258系列產(chǎn)品均支持開(kāi)啟ADR功能，配合RAK節(jié)點(diǎn)，可以有效降低LoRa終端的發(fā)射電流。具體還可以參見(jiàn)《LoRa終端低功耗開(kāi)發(fā)策略》一文。

3、多網(wǎng)關(guān)部署建議

（1）開(kāi)啟ADR

開(kāi)啟ADR可以在同樣數(shù)量的網(wǎng)關(guān)的前提下，盡可能多的擴(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)的ADR效果。而ADR效果提升， 即為節(jié)點(diǎn)的速率最佳化。速率提升，代表TOA降低，從而代表容量增加，功耗降低。

因此，采用多網(wǎng)關(guān)的時(shí)候，建議采用同頻部署，可以比異頻部署容納更多的節(jié)點(diǎn)。只有在同頻部署無(wú)法滿足容量的需求下，才考慮增加異頻網(wǎng)關(guān)的加入。

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

可以看出，同樣數(shù)量的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)，如果希望容納更多數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，那就需要從以下幾個(gè)方面著手進(jìn)行改進(jìn)：選擇合適的發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、選擇帶有LBT功能的網(wǎng)關(guān)并使用更優(yōu)的算法、開(kāi)啟ADR、選擇同頻部署。

結(jié)語(yǔ)

以上就是如何計(jì)算LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)關(guān)容量的計(jì)算方法，涉及到單網(wǎng)關(guān)以及多網(wǎng)關(guān)能容納的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量的計(jì)算。lw