LoRaWAN部署的业务案例

在LoRaWAN网络覆盖范围内，可以通过添加更多的网关来扩展网络容量。密集的LoRaWAN部署和优化的ADR(自适应数据速率)双管齐下，在大幅度提高网络容量的同时，可将功耗和运营商TCO(总投入成本)降低约10倍。

LoRaWAN已成为解决低功率广域网(LPWAN)部署难题的关键无线电技术之一，包括电源效率、远程部署、可扩展部署和成本效益等方面的问题。

LoRa联盟已经有超过500名成员，最近重量级成员，如谷歌、阿里巴巴和腾讯也加入了该联盟。

第一波LoRaWAN网络部署主要集中在由KPN、Orange、Swisscom等运营商领导的全国范围的大规模部署。即将到来的下一波部署浪潮该是该由大型私有企业来主导，并可实现公共及专用网络之间的互连，尤其是涉及LPWAN地理定位的用例。

在物联网用例中，运营商和终端客户偏向于使用LoRaWAN打通连接性。随着物联网部署在密度方面的增长，网络规划不可避免的成为确保运营商和终端客户长期成功和盈利的重要因素之一。

一个典型的例子是最近由Veolia Birdz公司和Orange签订的300万水表合同。这样的大规模的项目需要全而细致的网络规划，以实现用例所需的密集化和服务质量，同时优化成本。

LoRaWAN密集化技术的进一步研究

LoRaWAN网络采用的是已有的网络频谱，并且网络架构为星形拓扑结构，这使得网络部署和正在进行的密集化变得简单：当更多网关被添加到基础设施时，不需要进行频率模式规划或改组。

与Mesh技术相比，单跳到网络基础设施最小化了功耗，因为节点不需要中继来自其他节点的通信。另一个优点是，与Mesh相比，在具有低节点密度的稀疏模式中部署初始网络是可行的，这需要最小的节点密度来操作。更重要的是, 在干扰不断增加的情况下, LoRaWAN 不受多跳RF网络技术所遭受的指数数据包丢失的影响。

LoRaWAN网络的另一个独特特点是上行链路中的消息可以被任何网关接收。网络服务器的功能是根据上行链路RSSI估计值，消除上行链路中的重复元素，并为下行传输选择最佳网关。这使得地理位置等特性轻松地内置到LoRaWAN部署中。它还实现了上行链路宏分集，显著提高了网络容量和服务质量(QoS).

LoRaWAN还支持诸如自适应数据速率(Adr)等特性，该特性允许网络服务器通过下行MAC命令动态地更改终端设备的参数，如发送功率、频率和信号扩展因子。优化这些设置是提高终端设备容量和降低功耗的关键。

LoRaWAN参数的优化以及网络的密集化会导致网络容量的大幅增加。事实上，网络的LoRaWAN容量几乎可以无限期地随着密度的增加而扩大。

在未来，特别是在城市环境中，由于流量的增加，LoRaWAN网络的业务量预计会变得更多，其未来将向LPWAN发展。

密集化如何使企业部署的总投入成本降低?

随着更多LoRaWAN网关被部署，网络实现了密集化，自适应数据速率(ADR)和功率控制算法也得以在网络中智能应用，从而大大降低了终端设备的功耗，减少了终端设备的总投入成本(TCO).

下面的数字清楚地表明，密集化可以节省多达10倍的电力消耗，并使企业部署的10年TCO总体减少。更换电池所需的人工是大规模企业部署10年TCO的主要成本。

LoRaWAN通常部署在未经授权的频谱中，允许任何人在LoRaWAN的基础上推出物联网网络。这里有三种网络部署模型：

1.公共运营商网络

在这种传统模式中，运营商投资于一个区域或全国范围的网络，并向其客户销售连接服务。

2.私人/企业网络

在此模型中，企业客户通常在私人场所设置LORAWAN网关(例如机场)。他们要么拥有由运营商管理的网关，要么使用自己的LoRaWAN网络平台。第二种部署模式是用于密集设备用例的游戏改变器，因为网络容量和增强的QoS可以略微增加成本。这是可行的，因为LoRaWAN在未经许可的频谱中运行，并且网关非常便宜，易于部署。

3. 混合模型

这是LoRaWAN所部署的最有趣的模型，因为它的开放架构。是不可能(或者更确切地说是困难的)与其他LPWAN技术或蜂窝网络相竞争的。这是由于特定频谱与公共网络之间没有漫游模型所致。对此，有一些解决方案，来自3GPP的CBRS和MulteFire等计划，但它们仍在研发过程中，并且远未达到大规模物联网部署的成熟度，特别是对于需要10-15年电池寿命的用例。

在混合模式中，运营商在全国范围内提供轻型的户外覆盖，但不同的利益相关者，如私营企业或个人可以根据其所在场所的需要来强化网络，进一步增强网络的密度。这种模式实现了双赢的私人或公共合作伙伴关系，可以共享网络的成本和收入，并使应用程序和设备最多的网络变得密集。

这个模型是可行的，因为多个网关可以接收LoRaWAN消息，并且网络服务器可以删除重复的内容。针对不同运营商或企业运营网络的情况，lora 联盟已经批准了 "lorwan 后端接口1.0 规范" 中的漫游体系结构, 以实现网络协作。

这种模式大大减少了运营商的投资，并提供了一种颠覆性的商业模式，以便在最需要的地方建立物联网。

LoRaWAN允许公私部署，允许基于成本和收益共享的合作模型，并根据IOT应用程序的需求，对其最需要的网络进行密集化。

LoRaWAN密集化：降低运营商TCO的关键驱动因素

在设计和部署LoRaWAN网络时，系统运营商必须平衡密集网络及其服务传感器的成本与稀疏网络以及它的服务传感器的成本。

传统与机会主义网络设计

在传统网络的部署模型中，运营商在电信塔上部署LORAWAN网关。这需要从塔楼所有者那里租赁空间，购买一个防水的室外网关，爬上塔楼挂起网关，或许还需要支付额外的电力、分区、许可和返程费用。操作员需进行详细的射频传播研究，并挂起足够的网关，为所需服务的传感器位置提供足够的覆盖。

另一个选择是机会性地在运营商已经部署的设备中部署“母”网关。网关是无状态的，因此不会给主机设备增加太多复杂性。 使用USB或I2C将8通道LoRaWAN参考设计与主机设备配对。运营商可以将简单的8通道网关嵌入到正在进行的WiFi热点、电源、放大器、电缆调制解调器、恒温器、虚拟助手或任何已经投入的大规模生产的设备中。

计算出特定地区的机会主义网关的数量是有一定的难度的。网关的高度对网关的覆盖有很大的影响。部署在楼层第20层的网关具有比部署在单户住宅地下室的同一个网关更好的覆盖率。部署在电线杆上的WiFi热点上的网关与部署在电线杆上的网关有着不同的覆盖区域。因此，部署在每个场景中的网关的实际数量变化很大。

当完成每种网络类型的详细设计时，通常会发现，机会主义的部署模式允许运营商以大约十分之一的成本，来部署大约100倍的网关来覆盖给定的区域(与传统的第三方租赁塔楼模型相比)。

水表：一个典型的用例

对于本分析的其余部分，我们将假设运营商需要部署一个LoRaWAN网络来服务100 K水表。水表是一种困难的RF传播模型。它们安装在地面或地下，必须有20年的使用期，且郊区的仪表往往会被草和泥土覆盖。让我们假设一个北美部署模型，我们可以选择使用高功率(27dBm)或低功率(17dBm)仪表。

一个可能的设计是采用基于塔的方法。在以塔为基础的方法中，运营商通常会部署高功率水表，以减少昂贵的塔式租赁的数量。为了在高功率下运行，北美法规要求传感器通过50多个通道发送，这促使运营商部署64通道网关。

假设水表与塔基网关之间的平均距离为3公里，传感器每天需要发送一次读数。因此，许多仪表在27 dBm的SF 10下运行。传感器设计器包括一个高功率射频放大器，计算传感器寿命期间的能量需求，并适当地调整电池的大小。

另一种可能的设计是机会主义地向该地区部署数千条“母”网关。问题归结为：“我需要多少条“母”网关来覆盖所需的区域?”

在许多城市环境中，给定运营商与用户之间的平均距离为30米。如果运营商可以在大多数站点中机会性地部署，那么网关间的距离将小至30米。为了进行分析，我们假设传感器和最近的网关之间的平均距离从3000米减少到100米。当传感器距离网关100米时，它通常可以在SF7处以17dBm(或更低)的功耗运行。显然，网络设计人员必须考虑给定传感器与其最近网关之间的距离分布，但总体上看，节能效果还是很显著的。

将基于铁塔的LoRaWAN网络的总容量与机会主义LoRaWAN网络的总容量进行比较也具有指导意义。100个8通道机会主义网关的费用约为单个64通道网关的1/10，且机会主义的网络容量是基于塔的网络容量的13倍。随着传感器密度的增加，我们可以部署额外的机会主义网关，获得传统上约130倍的网络容量，成本与基于塔的网络相同。

当我们比较使用SF10在27 dBm使用20年的传感器和使用SF7在17 dBm使用20年的传感器的成本时，发现通过部署更密集的网络，每个传感器至少可以节省10美元。

当考虑其他用例时，密集的LoRaWAN网络模型为每一组额外的传感器节省了传感器费用。大多数传感器没有使用20年的要求，节约的成本就不一而论了，但是电池是任何传感器成本的主要驱动因素之一。

结语

一个大规模的网络部署可能需要在一定数量的传统网关上进行，以提供一个“保护伞”的覆盖，然后加强使用机会主义的方法。通过对网络进行密集化，使传感器的总功率预算大大降低。我们还可以设想一种部署模型，其中一个机会主义网关与一组服务一起部署。运营商将把基于物联网的服务添加到现有的服务中(比如语音/视频/数据、恒温器控制或个人助理)，传感器将与网关共存。

LoRaWAN的未来是什么?

在网络中智能地使用ADR算法时，LoRaWAN具有显著的容量增益和大幅度降低功耗及TCO的优点。

欧盟已有16个频谱，但最近对监管框架作了修改，以放宽频谱要求，增加发射功率、占空比和频道数目。

此外，Semtech发布了Lora芯片组的最新版本，具有以下关键特性：

接收模式下功率减少50%

扩展 20%的小区覆盖范围

22 dBm发射功率

尺寸减少45%，为4mm×4mm

全球连续频率覆盖范围：150~960MHz

具有指令显示的简化用户界面

支持密集网络的SF5新扩展因子

与现有部署的LoRaWAN网络兼容的协议

LoRaWAN的容量取决于用例的区域和形态参数。上述LoRaWAN特性和即将对欧盟法规的更改将在未来数年内大幅扩展未授权的LoRaWAN网络，以满足物联网应用程序和用例的需求。

如前所述，如果仔细部署网络并使用先进的算法(如ADR)，网络容量就会急剧增加，TCO也会大幅减少。随着未来物联网应用的需求和广度，这将是决定LoRaWAN部署成功的主要因素之一。

LoRaWAN可提供创新的公共或私有部署模型，在该模型中，运营商可以通过私人或企业的网关，逐步增加容量并补充额外的容量。通常，对于蜂窝网络来说，在网络边缘有5-10%的物联网设备处于瘫痪状态。这尤其适用于深层室内节点(例如，智能仪表的穿透损耗增加了30分贝)。

这样的节点只能通过蜂窝网络的密集化来覆盖，但只对5-10%的物联网设备进行加密，是远远不能够满足用例需求的。解决此问题的一种方法是在单元格边缘部署私有LoRaWAN，并使用一个综合了LoRaWAN和蜂窝物联网的多技术物联网平台。

另一方面，LoRaWAN提供了一种成本效益高的方式来增加网络容量。LoRaWAN网关具有很高的成本效益，可以使用以太网/3G/4G回程部署，与3 GPP小型蜂窝相比，投资最小。这样就可以一种性价比较高的方式建立物联网.运营商可以根据应用需求逐步扩展这些网络。

Lora联盟已经标准化了漫游功能，这使得多个LoRaWAN网络能够协同服务于物联网设备。

LoRa联盟已将漫游功能标准化，使多个LoRaWAN网关能够协同服务物联网设备。跨部署使用的宏多样性使运营商/企业能够联合强化其网络，从而以更低的成本提供更好的覆盖，例如，工业用例。如下文所示，LoRaWAN的未来将是通过与公共网络漫游的私人/企业网络部署和颠覆性商业模式。

LoRaWAN提供水平连接解决方案，以满足LPWAN部署对物联网应用程序的广泛需求。但是，只有网络解决方案供应商专有的智能网络服务器算法才能实现这些优势。