Mejora de la escalabilidad de LoRaWAN

El artículo publicado recientemente, "¿Escalan las redes de área amplia de baja potencia LoRa?" por Martin Bor y Utz Roedig de la Universidad de Lancaster, Reino Unido, plantea el problema de la escalabilidad en LoRaWAN ^TM redes.

Su conclusión es que “ Según nuestro estudio presentado en el documento, las instalaciones actuales basadas en LoRaWAN no [escalan]. (Sección 6) ”El documento estima que alrededor de 120 nodos se pueden implementar de forma segura utilizando una única puerta de enlace LoRaWAN, asumiendo que cada nodo transmite 20 bytes cada 16,7 minutos. Muchas aplicaciones conectadas encontrarán esta densidad demasiado limitante.

Una de las funciones principales de Symphony Link ^TM , el protocolo Link Labs LoRa, es un algoritmo de selección de parámetros dinámicos que mejora drásticamente el rendimiento y la confiabilidad, particularmente para redes sin múltiples puertas de enlace.

Los problemas de escalabilidad de LoRaWAN son el resultado de cinco factores:

1. Todas las puertas de enlace y los nodos utilizan los mismos canales para todas las transmisiones.
2. El tiempo en el aire puede ser bastante largo. (hasta 2 segundos)
3. Todas las transmisiones de enlace ascendente no están coordinadas (Pure Aloha)
4. Todas las transmisiones de la puerta de enlace (acuse de recibo y tráfico de enlace descendente) hacen que la puerta de enlace "salga del aire", sin el conocimiento de los nodos que intentan transmitir.
5. Las puertas de enlace LoRa basadas en SX1301 tienen solo 8 módems receptores para procesar el tráfico simultáneo.

La Alianza LoRa (Link Labs es miembro) tendrá dificultades para abordar adecuadamente estas limitaciones debido al objetivo declarado de mantener la compatibilidad con versiones anteriores. Es difícil agregar funciones de organización a una red que necesita tolerar nodos heredados y descoordinados al mismo tiempo.

Symphony Link mejora la escalabilidad de seis formas:

1. Salto de bloque de frecuencia
2. Selección dinámica de potencia de transmisión y factor de dispersión
3. Posicionamiento de enlace ascendente sincrónico
4. Límite de tiempo de enlace ascendente / descendente variable
5. Reconocimientos comprimidos
6. Calidad de servicio
7. Escuche antes de hablar

Salto de bloque de frecuencia

En Symphony Link, cada nodo está emparejado con una puerta de enlace a la vez. Esta puerta de enlace anuncia las frecuencias de enlace ascendente disponibles para los nodos en la trama actual. Esto permite que las puertas de enlace utilicen de forma pseudoaleatoria todo el espectro ISM para el tráfico de enlace ascendente, al tiempo que minimiza las colisiones de enlace ascendente con otras puertas de enlace / redes.

Además, si una puerta de enlace detecta interferencia en una determinada parte de la banda, no colocará canales de enlace ascendente en ese espectro.

Al utilizar el salto de bloque para crear cientos de canales de enlace ascendente, los nodos de Symphony Link son totalmente compatibles con FHSS (Parte 15), lo que significa que la potencia de transmisión puede ser de 1 W, si es necesario. La certificación LoRaWAN en los EE. UU. Requiere un modo "híbrido" de menor potencia, ya que LoRaWAN salta solo sobre 8 canales fijos.

Selección dinámica de potencia de transmisión y factor de dispersión

Velocidad y potencia de datos adaptables.

Para aprovechar al máximo los factores de dispersión ortogonales (SF) (la puerta de enlace puede escuchar múltiples transmisiones por canal), el nodo debe utilizar el SF con el menor tiempo en el aire.

Además, dado que LoRa tiene solo 20 dB de rango dinámico (capacidad de escuchar señales débiles en presencia de señales fuertes), los nodos cercanos a la puerta de enlace deben transmitir a menos de la potencia máxima.

Los nodos Symphony Link logran esto midiendo el RSSI del encabezado de la trama de la puerta de enlace (cada 2 segundos) justo antes de la transmisión. Luego calcula el presupuesto del enlace inverso y ajusta la salida de potencia y SF para que coincidan. También aplica una penalización de enlace configurable por el usuario para garantizar que el desvanecimiento rápido no afecte la relación señal / ruido (SNR).

Posicionamiento de enlace ascendente síncrono

Esquema de distribución de enlaces ascendentes

LoRaWAN es una red “pura Aloha”, lo que significa que los nodos transmiten cuando quieren, sin estar coordinados. Estas redes tienen una eficiencia máxima de aproximadamente el 16%. Cuando agrega franjas horarias, puede duplicar esta eficiencia.

Sin embargo, para agregar ranuras, debe tener algún tipo de señal de sincronización. En Symphony Link, el encabezado de la trama de la puerta de enlace establece el tiempo de ranura disponible en cada factor de propagación. Luego, los nodos pueden elegir aleatoriamente un intervalo de tiempo para minimizar la posibilidad de que interfieran con otro nodo.

Límite de tiempo de enlace ascendente / descendente variable

Límite de tiempo de enlace descendente de enlace ascendente variable

Cuando una puerta de enlace LoRaWAN transmite, los nodos de esa red no saben que esencialmente no está disponible. En Symphony Link agregamos un límite de enlace ascendente / descendente variable para que los nodos sepan cuándo la puerta de enlace está disponible y cuándo no.

LoRaWAN aborda este problema con un servidor de red controlado centralmente que comparte el tráfico de enlace descendente entre muchas puertas de enlace, pero para casos de uso sin el presupuesto para muchas puertas de enlace, es poco probable que ayude.

Reconocimientos comprimidos

Los reconocimientos de LoRaWAN son un recurso costoso, ya que cualquier tiempo dedicado a reconocer un mensaje es el tiempo en que la puerta de enlace no está disponible para recibir tráfico de enlace ascendente.

Symphony Link agrupa todos los reconocimientos en un mensaje altamente comprimido que reciben todos los nodos que transmitieron en la trama anterior.

Calidad de servicio

En pocas palabras, QOS permite que ciertos nodos utilicen más recursos que otros, de modo que se prioriza el tráfico importante sobre el tráfico menos importante. De esta forma, en las redes congestionadas, los mensajes más importantes (alarmas, etc.) seguirán llegando.

Escuche antes de hablar

Por último, los nodos Symphony Link comprueban que el canal esté libre de nodos vecinos antes de transmitir. Si detectan a otro usuario en ese espacio, saltan a un nuevo canal instantáneamente.