ECI 2019v: Redes LoRa a gran escala: de implementaciones homogéneas a heterogéneas, Moisés Núñez (CEA, Francia)

Redes LoRa a gran escala: de implementaciones homogéneas a heterogéneas

Moisés Nuñez^{1, 2}, Luiz Suraty¹, Mickael Maman¹ and Andrzej Duda²

¹ CEA, LETI, Minatec Campus, 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble, France

² Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LIG, F-38000 Grenoble, France

Resumen

La tecnología LoRa se ha convertido en una solución interesante para aplicaciones IoT de bajo consumo y largo alcance, especialmente para aplicaciones Low Power Wide Area (LPWA). Las principales direcciones de investigación en LPWA son las redes a gran escala para soportar una gran cantidad de dispositivos, los problemas de interferencia, la optimización de enlaces y la adaptabilidad. Por lo tanto, se deben estudiar las implementaciones de red heterogéneas y las estrategias de asignación de Spreading Factor (SF). En este estudio, investigamos el rendimiento de redes homogéneas (es decir, cuando todos los nodos seleccionan la misma configuración LoRa) y de las redes heterogéneas (es decir, cuando cada nodo selecciona su configuración LoRa de acuerdo con su presupuesto de enlace o sus necesidades) para implementaciones a gran escala (hasta 10000 nodos por gateway). Para ese propósito, hemos desarrollado un módulo LoRa, basado en el simulador WSNet mejorado, que incluye una abstracción del uso del espectro, el rechazo co-canal debido a la casi-ortogonalidad de los SFs y el efecto de captura del gateway. Los resultados de las simulaciones muestran la comparación de performances en términos de confiabilidad, capacidad de red y consumo de energía para las implementaciones homogéneas y heterogéneas en función de la cantidad de nodos y la intensidad de tráfico. La comparación muestra los beneficios de la implementación heterogénea en la que cada nodo selecciona su configuración de acuerdo a su presupuesto de enlace (heterogénea f Dmax), como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2.

Descriptores: Internet de las cosas, LPWAN, LoRa, spreading factor, implementaciones homogéneas y heterogéneas

Abstract

The LoRa technology has emerged as an interesting solution for low power, long-range IoT applications, especially for Low Power Wide Area (LPWA) applications. The main LPWA research directions are about large-scale networks to support massive number of devices, interference issues, link optimization and adaptability. Thus heterogeneous network deployments and Spreading Factor (SF) allocation strategies need to be studied. In this study, we investigate the performance of homogeneous networks (i.e. when all the nodes select the same LoRa configuration) and heterogeneous networks (i.e. when each node selects its LoRa configuration according to its link budget or their needs) for large-scale deployments (up to 10000 nodes per gateway). For that purpose, we have developed a LoRa Module, based on improved WSNet simulator, including a spectrum usage abstraction, the co-channel rejection due to the quasi-orthogonality of SFs and the gateway capture effect. Simulation results show the performance comparison in terms of reliability, network capacity and power consumption for homogeneous and heterogeneous deployments as a function of the number of nodes and the traffic intensity. The comparison shows the benefits of the heterogeneous deployment where each node selects its configuration according to its link budget (heterogeneous f Dmax) as showed in Figure 1 and Figure 2.

Figure 1: PDR of Homogeneous and Heterogeneous deployments as a function of the number of devices generating a 50 Bytes packet each 60 s.

Figure 2: Average power consumption for the Homogeneous SF12, the Multi-Homogeneous, the Heterogeneous f(Dmax), and the Heterogeneous Random as a function on the traffic for deployments of 10000 nodes.

Keywords: IoT, LPWAN, LoRa, spreading factor, homogeneous and heterogeneous deployments

Agradecimientos: CEA-Leti, LIG-Lab UGA and Cienciactiva-CONCYTEC.

Referencias