LoRaWAN部署的業務案例
在LoRaWAN網絡覆蓋范圍內，可以通過添加更多的網關來擴展網絡容量。密集的LoRaWAN部署和優化的ADR(自適應數據速率)雙管齊下，在大幅度提高網絡容量的同時，可將功耗和運營商TCO(總投入成本)降低約10倍。
LoRaWAN已成為解決低功率廣域網(LPWAN)部署難題的關鍵無線電技術之一，包括電源效率、遠程部署、可擴展部署和成本效益等方面的問題。
LoRa聯盟已經有超過500名成員，最近重量級成員，如谷歌、阿里巴巴和騰訊也加入了該聯盟。
***波LoRaWAN網絡部署主要集中在由KPN、Orange、Swisscom等運營商領導的全國范圍的大規模部署。即將到來的下一波部署浪潮該是該由大型私有企業來主導，并可實現公共及專用網絡之間的互連，尤其是涉及LPWAN地理定位的用例。
在物聯網用例中，運營商和終端客戶偏向于使用LoRaWAN打通連接性。隨著物聯網部署在密度方面的增長，網絡規劃不可避免的成為確保運營商和終端客戶長期成功和盈利的重要因素之一。
一個典型的例子是最近由Veolia Birdz公司和Orange簽訂的300萬水表合同。這樣的大規模的項目需要全而細致的網絡規劃，以實現用例所需的密集化和服務質量，同時優化成本。
LoRaWAN密集化技術的進一步研究
LoRaWAN網絡采用的是已有的網絡頻譜，并且網絡架構為星形拓撲結構，這使得網絡部署和正在進行的密集化變得簡單：當更多網關被添加到基礎設施時，不需要進行頻率模式規劃或改組。
與Mesh技術相比，單跳到網絡基礎設施最小化了功耗，因為節點不需要中繼來自其他節點的通信。另一個優點是，與Mesh相比，在具有低節點密度的稀疏模式中部署初始網絡是可行的，這需要最小的節點密度來操作。更重要的是, 在干擾不斷增加的情況下, LoRaWAN 不受多跳RF網絡技術所遭受的指數數據包丟失的影響。
LoRaWAN網絡的另一個獨特特點是上行鏈路中的消息可以被任何網關接收。網絡服務器的功能是根據上行鏈路RSSI估計值，消除上行鏈路中的重復元素，并為下行傳輸選擇***網關。這使得地理位置等特性輕松地內置到LoRaWAN部署中。它還實現了上行鏈路宏分集，顯著提高了網絡容量和服務質量(QoS).
LoRaWAN還支持諸如自適應數據速率(Adr)等特性，該特性允許網絡服務器通過下行MAC命令動態地更改終端設備的參數，如發送功率、頻率和信號擴展因子。優化這些設置是提高終端設備容量和降低功耗的關鍵。
LoRaWAN參數的優化以及網絡的密集化會導致網絡容量的大幅增加。事實上，網絡的LoRaWAN容量幾乎可以***期地隨著密度的增加而擴大。
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在未來，特別是在城市環境中，由于流量的增加，LoRaWAN網絡的業務量預計會變得更多，其未來將向LPWAN發展。
密集化如何使企業部署的總投入成本降低?
隨著更多LoRaWAN網關被部署，網絡實現了密集化，自適應數據速率(ADR)和功率控制算法也得以在網絡中智能應用，從而大大降低了終端設備的功耗，減少了終端設備的總投入成本(TCO).
下面的數字清楚地表明，密集化可以節省多達10倍的電力消耗，并使企業部署的10年TCO總體減少。更換電池所需的人工是大規模企業部署10年TCO的主要成本。
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致密化導致終端設備的功耗大大降低，從而降低了整體TCO。
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致密化導致終端設備的功耗大大降低，從而降低了整體TCO。
LoRaWAN通常部署在未經授權的頻譜中，允許任何人在LoRaWAN的基礎上推出物聯網網絡。這里有三種網絡部署模型：
1. 公共運營商網絡
在這種傳統模式中，運營商投資于一個區域或全國范圍的網絡，并向其客戶銷售連接服務。
2. 私人/企業網絡
在此模型中，企業客戶通常在私人場所設置LORAWAN網關(例如機場)。他們要么擁有由運營商管理的網關，要么使用自己的LoRaWAN網絡平臺。第二種部署模式是用于密集設備用例的游戲改變器，因為網絡容量和增強的QoS可以略微增加成本。這是可行的，因為LoRaWAN在未經許可的頻譜中運行，并且網關非常便宜，易于部署。
3. 混合模型
這是LoRaWAN所部署的最有趣的模型，因為它的開放架構。是不可能(或者更確切地說是困難的)與其他LPWAN技術或蜂窩網絡相競爭的。這是由于特定頻譜與公共網絡之間沒有漫游模型所致。對此，有一些解決方案，來自3GPP的CBRS和MulteFire等計劃，但它們仍在研發過程中，并且遠未達到大規模物聯網部署的成熟度，特別是對于需要10-15年電池壽命的用例。
在混合模式中，運營商在全國范圍內提供輕型的戶外覆蓋，但不同的利益相關者，如私營企業或個人可以根據其所在場所的需要來強化網絡，進一步增強網絡的密度。這種模式實現了雙贏的私人或公共合作伙伴關系，可以共享網絡的成本和收入，并使應用程序和設備最多的網絡變得密集。
這個模型是可行的，因為多個網關可以接收LoRaWAN消息，并且網絡服務器可以刪除重復的內容。針對不同運營商或企業運營網絡的情況，lora 聯盟已經批準了 "lorwan 后端接口1.0 規范" 中的漫游體系結構, 以實現網絡協作。
這種模式大大減少了運營商的投資，并提供了一種顛覆性的商業模式，以便在最需要的地方建立物聯網。
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LoRaWAN允許公私部署，允許基于成本和收益共享的合作模型，并根據IOT應用程序的需求，對其最需要的網絡進行密集化。
LoRaWAN密集化：降低運營商TCO的關鍵驅動因素
在設計和部署LoRaWAN網絡時，系統運營商必須平衡密集網絡及其服務傳感器的成本與稀疏網絡以及它的服務傳感器的成本。
1. 傳統與機會主義網絡設計
在傳統網絡的部署模型中，運營商在電信塔上部署LORAWAN網關。這需要從塔樓所有者那里租賃空間，購買一個防水的室外網關，爬上塔樓掛起網關，或許還需要支付額外的電力、分區、許可和返程費用。操作員需進行詳細的射頻傳播研究，并掛起足夠的網關，為所需服務的傳感器位置提供足夠的覆蓋。
另一個選擇是機會性地在運營商已經部署的設備中部署“母”網關。網關是無狀態的，因此不會給主機設備增加太多復雜性。 使用USB或I2C將8通道LoRaWAN參考設計與主機設備配對。運營商可以將簡單的8通道網關嵌入到正在進行的WiFi熱點、電源、放大器、電纜調制解調器、恒溫器、虛擬助手或任何已經投入的大規模生產的設備中。
計算出特定地區的機會主義網關的數量是有一定的難度的。網關的高度對網關的覆蓋有很大的影響。部署在樓層第20層的網關具有比部署在單戶住宅地下室的同一個網關更好的覆蓋率。部署在電線桿上的WiFi熱點上的網關與部署在電線桿上的網關有著不同的覆蓋區域。因此，部署在每個場景中的網關的實際數量變化很大。
當完成每種網絡類型的詳細設計時，通常會發現，機會主義的部署模式允許運營商以大約十分之一的成本，來部署大約100倍的網關來覆蓋給定的區域(與傳統的第三方租賃塔樓模型相比)。
2. 水表：一個典型的用例
對于本分析的其余部分，我們將假設運營商需要部署一個LoRaWAN網絡來服務100 K水表。水表是一種困難的RF傳播模型。它們安裝在地面或地下，必須有20年的使用期，且郊區的儀表往往會被草和泥土覆蓋。讓我們假設一個北美部署模型，我們可以選擇使用高功率(27dBm)或低功率(17dBm)儀表。
一個可能的設計是采用基于塔的方法。在以塔為基礎的方法中，運營商通常會部署高功率水表，以減少昂貴的塔式租賃的數量。為了在高功率下運行，北美法規要求傳感器通過50多個通道發送，這促使運營商部署64通道網關。
假設水表與塔基網關之間的平均距離為3公里，傳感器每天需要發送一次讀數。因此，許多儀表在27 dBm的SF 10下運行。傳感器設計器包括一個高功率射頻放大器，計算傳感器壽命期間的能量需求，并適當地調整電池的大小。
另一種可能的設計是機會主義地向該地區部署數千條“母”網關。問題歸結為：“我需要多少條“母”網關來覆蓋所需的區域?”
在許多城市環境中，給定運營商與用戶之間的平均距離為30米。如果運營商可以在大多數站點中機會性地部署，那么網關間的距離將小至30米。為了進行分析，我們假設傳感器和最近的網關之間的平均距離從3000米減少到100米。當傳感器距離網關100米時，它通常可以在SF7處以17dBm(或更低)的功耗運行。顯然，網絡設計人員必須考慮給定傳感器與其最近網關之間的距離分布，但總體上看，節能效果還是很顯著的。
將基于鐵塔的LoRaWAN網絡的總容量與機會主義LoRaWAN網絡的總容量進行比較也具有指導意義。100個8通道機會主義網關的費用約為單個64通道網關的1/10，且機會主義的網絡容量是基于塔的網絡容量的13倍。隨著傳感器密度的增加，我們可以部署額外的機會主義網關，獲得傳統上約130倍的網絡容量，成本與基于塔的網絡相同。
當我們比較使用SF10在27 dBm使用20年的傳感器和使用SF7在17 dBm使用20年的傳感器的成本時，發現通過部署更密集的網絡，每個傳感器至少可以節省10美元。
當考慮其他用例時，密集的LoRaWAN網絡模型為每一組額外的傳感器節省了傳感器費用。大多數傳感器沒有使用20年的要求，節約的成本就不一而論了，但是電池是任何傳感器成本的主要驅動因素之一。
結語
一個大規模的網絡部署可能需要在一定數量的傳統網關上進行，以提供一個“保護傘”的覆蓋，然后加強使用機會主義的方法。通過對網絡進行密集化，使傳感器的總功率預算大大降低。我們還可以設想一種部署模型，其中一個機會主義網關與一組服務一起部署。運營商將把基于物聯網的服務添加到現有的服務中(比如語音/視頻/數據、恒溫器控制或個人助理)，傳感器將與網關共存。
LoRaWAN的未來是什么?
在網絡中智能地使用ADR算法時，LoRaWAN具有顯著的容量增益和大幅度降低功耗及TCO的優點。
歐盟已有16個頻譜，但最近對監管框架作了修改，以放寬頻譜要求，增加發射功率、占空比和頻道數目。
此外，Semtech發布了Lora芯片組的***版本，具有以下關鍵特性：
- 接收模式下功率減少50%
- 擴展20%的小區覆蓋范圍
- 22 dBm發射功率
- 尺寸減少45%，為4mm×4mm
- 全球連續頻率覆蓋范圍：150~960MHz
- 具有指令顯示的簡化用戶界面
- 支持密集網絡的SF5新擴展因子
- 與現有部署的LoRaWAN網絡兼容的協議
LoRaWAN的容量取決于用例的區域和形態參數。上述LoRaWAN特性和即將對歐盟法規的更改將在未來數年內大幅擴展未授權的LoRaWAN網絡，以滿足物聯網應用程序和用例的需求。
如前所述，如果仔細部署網絡并使用先進的算法(如ADR)，網絡容量就會急劇增加，TCO也會大幅減少。隨著未來物聯網應用的需求和廣度，這將是決定LoRaWAN部署成功的主要因素之一。
LoRaWAN可提供創新的公共或私有部署模型，在該模型中，運營商可以通過私人或企業的網關，逐步增加容量并補充額外的容量。通常，對于蜂窩網絡來說，在網絡邊緣有5-10%的物聯網設備處于癱瘓狀態。這尤其適用于深層室內節點(例如，智能儀表的穿透損耗增加了30分貝)。
這樣的節點只能通過蜂窩網絡的密集化來覆蓋，但只對5-10%的物聯網設備進行加密，是遠遠不能夠滿足用例需求的。解決此問題的一種方法是在單元格邊緣部署私有LoRaWAN，并使用一個綜合了LoRaWAN和蜂窩物聯網的多技術物聯網平臺.
另一方面，LoRaWAN提供了一種成本效益高的方式來增加網絡容量。LoRaWAN網關具有很高的成本效益，可以使用以太網/3G/4G回程部署，與3GPP小型蜂窩相比，投資最小。這樣就可以一種性價比較高的方式建立物聯網.運營商可以根據應用需求逐步擴展這些網絡。
Lora聯盟已經標準化了漫游功能，這使得多個LoRaWAN網絡能夠協同服務于物聯網設備。
LoRa聯盟已將漫游功能標準化，使多個LoRaWAN網關能夠協同服務物聯網設備。跨部署使用的宏多樣性使運營商/企業能夠聯合強化其網絡，從而以更低的成本提供更好的覆蓋，例如，工業用例。如下文所示，LoRaWAN的未來將是通過與公共網絡漫游的私人/企業網絡部署和顛覆性商業模式。
圖片來源: Actility
LoRaWAN提供水平連接解決方案，以滿足LPWAN部署對物聯網應用程序的廣泛需求。但是，只有網絡解決方案供應商專有的智能網絡服務器算法才能實現這些優勢。
