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

瑞科慧聯(lián)(RAK) ? 2022-12-21 17:12 ? 次閱讀

對于需要購買 LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)的人來說,最重要的問題是:一個網(wǎng)關(guān)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(guān)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(guān)單網(wǎng)關(guān)能容納的節(jié)點數(shù)量

1、理論值

假設(shè)單個網(wǎng)關(guān)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(guān)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(shè):單個 LoRaWAN?網(wǎng)關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)、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(guān)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(guān)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(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,空中飛行時間)。在 10 字節(jié)負載的前提下,速率與單包的 ToA 的對應關(guān)系如下表所示:

poYBAGMNdUKAGqsMAACUODvIgac542.jpg10 字節(jié)負載下速率與單包的 ToA 對應關(guān)系

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(guān)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(guān)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(guān)差不多可以接入 85,200+ 個節(jié)點。

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(guān)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(guān)數(shù)量

通常來說,1 個節(jié)點能夠保證 2~3 個網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)是最好的狀態(tài)。因此,假如根據(jù)上述方式計算得到總共需要 N 個網(wǎng)關(guān)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(guān),而不是 N 個網(wǎng)關(guān),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(shè)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(guān)只負責透傳,有時有人會不遵守 LoRaWAN?關(guān)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(guān)多網(wǎng)關(guān)能容納的節(jié)點數(shù)量

在實際應用場景下,單網(wǎng)關(guān)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(guān)可以同時接收 SF7~SF12 的信號數(shù)據(jù)。單網(wǎng)關(guān)解調(diào)和覆蓋能力有限制,理論上雖然可以達到這個容量,但是實際上很難。而多網(wǎng)關(guān)部署就可以最大化網(wǎng)絡(luò)容量。因此,實踐中多網(wǎng)關(guān)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(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算或估算。

2、開啟 ADR

當開啟 ADR 時,多網(wǎng)關(guān)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(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,開啟 ADR 還有助于降低功耗,因為 ADR 技術(shù)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(guān)的前提下盡可能多擴充已有網(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,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(guān)。

(3)部署的范圍滿足 1 個節(jié)點被 2~3 個網(wǎng)關(guān)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(guān)接收到。

三、總結(jié)

總的來說,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,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(guān)、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(guān)容量的計算方法,涉及到單網(wǎng)關(guān)和多網(wǎng)關(guān)能容納節(jié)點的數(shù)量計算。

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