Melhorando a escalabilidade LoRaWAN

O artigo publicado recentemente, “Do LoRa Low-Power Wide-Area Networks Scale?” por Martin Bor e Utz Roedig da Lancaster University, UK levanta a questão da escalabilidade no LoRaWAN ^TM redes.

A conclusão deles é que “ De acordo com nosso estudo apresentado no documento, as instalações atuais com base no LoRaWAN não [escalam]. (Seção 6) ”O artigo estima que cerca de 120 nós podem ser implantados com segurança usando um único gateway LoRaWAN, assumindo que cada nó transmite 20 bytes a cada 16,7 minutos. Muitos aplicativos conectados acharão essa densidade muito limitante.

Um dos principais recursos do Symphony Link ^TM , o protocolo Link Labs LoRa, é um algoritmo de seleção de parâmetro dinâmico que melhora drasticamente o rendimento e a confiabilidade, especialmente para redes sem vários gateways.

Os problemas do LoRaWAN com escalabilidade são o resultado de 5 fatores:

1. Todos os gateways e nós usam os mesmos canais para todas as transmissões.
2. O tempo no ar pode ser muito longo. (até 2 segundos)
3. Todas as transmissões de uplink são descoordenadas (Pure Aloha)
4. Todas as transmissões do gateway (tráfego de confirmação e downlink) retiram o gateway do ar, sem o conhecimento dos nós que estão tentando transmitir.
5. Gateways LoRa baseados em SX1301 têm apenas 8 modems de receptor para processar tráfego simultâneo.

A LoRa Alliance (Link Labs é um membro) achará difícil lidar adequadamente com essas limitações devido ao objetivo declarado de manter a compatibilidade com versões anteriores. É difícil adicionar recursos de organização a uma rede que precisa tolerar nós herdados e descoordenados ao mesmo tempo.

Symphony Link melhora a escalabilidade de 6 maneiras:

1. Bloco de freqüência de salto
2. Seleção de potência de transmissão dinâmica e fator de propagação
3. Slotting Uplink Síncrono
4. Limite de tempo de uplink / downlink variável
5. Agradecimentos compactados
6. Qualidade do serviço
7. Ouça antes de falar

Frequency Block Hopping

No Symphony Link, cada nó é emparelhado com um gateway por vez. Este gateway anuncia as frequências de uplink disponíveis para os nós no quadro atual. Isso permite que os gateways usem pseudo-aleatoriamente todo o espectro ISM para o tráfego de uplink, enquanto minimiza as colisões de uplink com outros gateways / redes.

Além disso, se um gateway detectar interferência em uma determinada parte da banda, ele não colocará canais de uplink nesse espectro.

Ao usar o salto de bloco para criar centenas de canais de uplink, os nós do Symphony Link são totalmente compatíveis com FHSS (Parte 15), o que significa que a potência de transmissão pode ser de 1W, se necessário. A certificação LoRaWAN nos EUA requer um modo “Híbrido” de menor potência, uma vez que LoRaWAN salta em apenas 8 canais fixos.

Potência de transmissão dinâmica e seleção do fator de propagação

Taxa de dados adaptável e potência.
Para aproveitar ao máximo os fatores de propagação ortogonal (SF) (o gateway pode ouvir várias transmissões por canal), o nó deve usar o SF com o menor tempo no ar.

Além disso, como o LoRa tem apenas 20 dB de faixa dinâmica (capacidade de ouvir sinais fracos na presença de sinais fortes), os nós próximos ao gateway devem transmitir com potência inferior à total.

Os nós do Symphony Link realizam isso medindo o RSSI do cabeçalho do quadro do gateway (a cada 2 segundos) antes da transmissão. Em seguida, ele calcula o orçamento do link reverso e ajusta a saída de energia e o SF para corresponder. Ele também aplica uma penalidade de link configurável pelo usuário para garantir que o desvanecimento rápido não prejudique a relação sinal-ruído (SNR).

Slotting Uplink Síncrono

Esquema de alocação de uplink
LoRaWAN é uma rede “pura Aloha”, o que significa que os nós transmitem quando querem, sem serem coordenados. Essas redes têm uma eficiência máxima de cerca de 16%. Ao adicionar intervalos de tempo, você pode dobrar essa eficiência.

No entanto, para adicionar slotting, você precisa ter algum tipo de sinal de sincronização. No Symphony Link, o cabeçalho do quadro do gateway define o tempo de slot disponível em cada fator de difusão. Em seguida, os nós podem escolher aleatoriamente um intervalo de tempo para minimizar a chance de eles interferirem em outro nó.

Limite de tempo de uplink / downlink variável

Limite de tempo de downlink de uplink variável
Quando um gateway LoRaWAN transmite, os nós dessa rede não sabem que ele está essencialmente indisponível. No Symphony Link, adicionamos um limite de uplink / downlink variável para que os nós saibam quando o gateway está disponível e quando não está.

LoRaWAN aborda esse problema com um servidor de rede controlado centralmente compartilhando tráfego de downlink entre muitos gateways, mas para casos de uso sem o orçamento para muitos gateways, é improvável que ajude.

Agradecimentos compactados

Reconhecimentos LoRaWAN são um recurso caro, pois qualquer tempo gasto no reconhecimento de uma mensagem é tempo em que o gateway não está disponível para receber tráfego de uplink.

O Symphony Link agrupa todas as confirmações em uma mensagem altamente compactada que todos os nós transmitidos no quadro anterior recebem.

Qualidade de serviço

Simplificando, o QoS permite que determinados nós usem mais recursos do que outros, de forma que o tráfego importante seja priorizado em relação ao tráfego menos importante. Assim, em redes congestionadas, as mensagens mais importantes (alarmes, etc.) continuarão a ser transmitidas.

Ouça antes de falar

Por fim, os nós do Symphony Link verificam se o canal está livre de quaisquer nós vizinhos antes de transmitir. Se eles detectarem outro usuário naquele slot, eles pulam para um novo canal instantaneamente.