LPWAN网络容量成重要指标，布局物联网却容易被忽视

对无线物联网(IoT)网络的用户、开发者或营运商而言有很多事至关重要，安全、服务质量、可靠性、耗电量等，其中一项参数--成本，更经常被列为第一要点，而网络容量(Network Capacity)则是对成本影响极大但却常被忽略的一项因素。

显而易见的，在无线网络链结两端的硬设备，也就是基地台和终端装置，是无线网络最主要的成本，其他额外的成本则包含数据处理、储存等。

由于本文旨在比较无线存取技术的成本，因此，储存等不在本文所考虑的范围内。 对超窄频(Ultra Narrow Band)、窄频(Narrow Band)或展频(Spread Spectrum)三种技术而言，终端装置的物料列表成本(BoM Costs)很相似，所以在此也不纳入考虑。

容网络量为影响因素

在计算网络成本时，网络容量可以说是最重要的影响参数。 它决定了每个蜂巢(Cell)的大小，以及网络所需的基地台数量，而基地台数量的多寡即是计算一个可行网络的总体拥有成本时的主要因素。

一般而言，网络容量是指有多少数量的终端装置能同时链接至单一基地台，我们将延用这样的定义，藉此看看媒体访问控制(MAC)的总吞吐量(Throughput)、传输频率和数据酬载(Payload)等所有因素，对网络容量计算的影响。

表1显示LoRa、Sigfox及Weightless三种较受欢迎的低功耗广域网(LPWAN)技术的MAC吞吐量，这些数据皆符合欧盟规范。 LoRa属于展频技术，Sigfox使用超窄频技术，而Weightless-P则为窄频技术。

网络容量如何计算

我们在建模标准(Modelling Criteria)已做了客观假设。 事实上，我们的假设已经比其他公开的Sigfox和LoRa建议模型更为保守。

． Weightless-P自适应性数据率(Adaptive Data Rate)有10dB余裕(Margin)，数据封包错误率(PER)目标0.1%。

． 已计算排程上行链路容量。

． 平均数据率由已适当分配数据率的随机定位节点的吞吐量决定。

． Weightless-P: 在0.625kbit/s的传输率下灵敏度为-134dBm，欧盟发送功率规范为14dB，而美国为27dBm。

． Sigfox和Weightless-P的MAC吞吐量是基于城市Hata模型(基地台天线高30公尺，而ED高0.5公尺)。

． Weightless-P的覆盖率在欧盟地区为1.5公里，而美国则为3.8公里。

． LoRa的MAC吞吐量是基于Ingenu白皮书，但移除针对重复率方面的过度保守假设。

． 通过假设50%网络协议成本(Overhead)和50%上行链路半双工比率，来吸收由时隙粒度(Slot Granularity)导致的网络容量损失。

在任何无线系统中，数据吞吐量决定了网络可实现的容量。 更高的数据吞吐量可促成更大的数据封包、更频繁地传送及更大数量的端点。 这些基本的参数是讨论网络延展性时的重要因素，提高其中任一参数，可对此网络的延展性进行压力测试。 接下来看看一个典型应用情境。

智能电表案例剖析

在公用事业的读表应用中，每15分钟读一次计量表的间隔是上行链路传输可被接受的默认频率；而一个200字节(Bytes)的数据封包则被视为是常态。 这对Sigfox、LoRa和Weightless三种技术而言各意味着什么呢？

首先，上述的应用例子中，我们可能不会考虑使用Sigfox技术，因为它的酬载限制为8个字节，但是我要以此做为接下来比较网络容量的基准。 每15分钟传送200字节，每小时就有800字节，相当于每秒1.78个字节。 将MAC吞吐量除以终端装置的吞吐量，即可定义出用来服务的节点数量。 此即说明数据率与网络容量间的关连性。

Weightless-P网络的每座基地台具备前述上行链路的特性，并可处理二千七百六十九个端点；而LoRa网络的基地台能应付五十二个端点；Sigfox网络则可容纳七百八十九个(图1)。

图1 Sigfox、LoRa及Weightless-P三种网络的基地台，在公共事业读表应用中，各自所能支持的端点数量。

对拥有成本的影响

一个物联网基地台的资本设备支出(CAPEX)可能落在5,000美元区间(先不拘泥于正确的金额数字为何)。 接口设备成本大约在4,000美元，基站现场建置工程约须再花费额外的7,000美元。 至于营运成本(OPEX)，基站场地租金每年约2,500∼4,000美元，而回程网络(Backhaul)相关支出每年同样也大约2,500∼4,000美元。 10年下来，基地台生命周期成本将达50,000∼80,000美元。 结果，基地台硬件的物料列表成本实际上与总体拥有成本的计算并没有关联。

若以较低的基地台生命周期成本50,000美元来看，我们可以计算出要覆盖一座城市所需的典型成本。 用加州圣地亚哥(San Diego)做为例子，其人口数大约三百万左右，以典型的圣地亚哥家庭每户有两个人来算，