LoRaWAN-schaalbaarheid verbeteren

Het onlangs gepubliceerde artikel "Do LoRa Low-Power Wide-Area Networks Scale?" door Martin Bor en Utz Roedig van Lancaster University, VK stelt de kwestie van schaalbaarheid in LoRaWAN ^TM ter sprake netwerken.

Hun conclusie is dat "Volgens onze studie gepresenteerd in de papieren huidige installaties op basis van LoRaWAN niet [schaal]. (Sectie 6)” De paper schat dat ongeveer 120 knooppunten veilig kunnen worden ingezet met behulp van een enkele LoRaWAN-gateway, ervan uitgaande dat elk knooppunt elke 16,7 minuten 20 bytes verzendt. Veel aangesloten applicaties zullen deze dichtheid te beperkend vinden.

Een van de kernfuncties in Symphony Link ^TM , het LoRa-protocol van Link Labs, is een dynamisch algoritme voor parameterselectie dat de doorvoer en betrouwbaarheid drastisch verbetert, met name voor netwerken zonder meerdere gateways.

LoRaWAN's problemen met schaalbaarheid zijn het resultaat van 5 factoren:

1. Alle gateways en nodes gebruiken dezelfde kanalen voor alle transmissies.
2. De tijd in de lucht kan behoorlijk lang zijn. (maximaal 2 seconden)
3. Alle uplink-transmissies zijn ongecoördineerd (Pure Aloha)
4. Alle gateway-transmissies (bevestiging en downlink-verkeer) halen de gateway 'uit de lucht', buiten medeweten van nodes die proberen te verzenden.
5. Op SX1301 gebaseerde LoRa-gateways hebben slechts 8 ontvangermodems om gelijktijdig verkeer te verwerken.

De LoRa Alliantie (Link Labs is lid) zal het moeilijk vinden om deze beperkingen adequaat aan te pakken vanwege het gestelde doel om achterwaartse compatibiliteit te behouden. Het is moeilijk om organisatiefuncties toe te voegen aan een netwerk dat tegelijkertijd verouderde, ongecoördineerde knooppunten moet tolereren.

Symphony Link verbetert de schaalbaarheid op 6 manieren:

1. Frequentie blokhoppen
2. Dynamisch zendvermogen en selectie van spreidingsfactoren
3. Synchrone uplink-slotting
4. Variabele uplink/downlink tijdgrens
5. Gecomprimeerde dankbetuigingen
6. Servicekwaliteit
7. Luister voordat je praat

Frequentieblokhoppen

In Symphony Link is elk knooppunt met één gateway tegelijk gekoppeld. Deze gateway maakt reclame voor de uplinkfrequenties die beschikbaar zijn voor knooppunten in het huidige frame. Hierdoor kunnen gateways pseudo-willekeurig het hele ISM-spectrum gebruiken voor uplink-verkeer, terwijl uplink-botsingen met andere gateways/netwerken worden geminimaliseerd.

Bovendien, als een gateway interferentie detecteert in een bepaald deel van de band, zal het geen uplink-kanalen in dat spectrum plaatsen.

Door block-hopping te gebruiken om honderden uplink-kanalen te creëren, zijn Symphony Link-knooppunten volledig FHSS-compatibel (deel 15), wat betekent dat het zendvermogen indien nodig 1 W kan zijn. LoRaWAN-certificering in de VS vereist een "hybride" -modus met een lager vermogen, aangezien LoRaWAN over slechts 8 vaste kanalen springt.

Dynamisch zendvermogen en selectie van spreidingsfactoren

Adaptieve gegevenssnelheid en vermogen.

Om optimaal te profiteren van de orthogonale spreidingsfactoren (SF) (gateway kan meerdere uitzendingen per kanaal horen), moet het knooppunt de SF gebruiken met de kortste time-on-air.

Bovendien, aangezien LoRa slechts 20 dB dynamisch bereik heeft (vermogen om zwakke signalen te horen in de aanwezigheid van sterke signalen), moeten knooppunten in de buurt van de gateway op minder dan vol vermogen zenden.

Symphony Link-knooppunten bereiken dit door de RSSI van de gatewayframe-header te meten (elke 2 seconden) net voor het verzenden. Het berekent vervolgens het budget van de reverse link en past het uitgangsvermogen en de SF aan. Het past ook een door de gebruiker instelbare link penalty toe om ervoor te zorgen dat snelle vervaging niet ten koste gaat van de signaal-ruisverhouding (SNR).

Synchrone uplink-slotting

Uplink-slotting-schema

LoRaWAN is een "pure Aloha"-netwerk, wat betekent dat nodes zenden wanneer ze willen, zonder gecoördineerd te zijn. Deze netwerken hebben een maximale efficiëntie van ongeveer 16%. Wanneer u tijdsloten toevoegt, kunt u deze efficiëntie verdubbelen.

Om slotting toe te voegen, moet u echter een soort synchronisatiesignaal hebben. In Symphony Link stelt de gateway-frameheader de beschikbare slottiming in voor elke spreidingsfactor. Vervolgens kunnen nodes willekeurig een tijdslot kiezen om de kans te verkleinen dat ze interfereren met een ander knooppunt.

Variabele Uplink/Downlink Tijdgrens

Variabele uplink downlink tijdgrens

Wanneer een LoRaWAN-gateway zendt, weten knooppunten in dat netwerk niet dat het in wezen niet beschikbaar is. In Symphony Link hebben we een variabele uplink/downlink-grens toegevoegd, zodat knooppunten weten wanneer de gateway beschikbaar is en wanneer niet.

LoRaWAN lost dit probleem op met een centraal gecontroleerde netwerkserver die downlinkverkeer tussen veel gateways deelt, maar voor gebruikssituaties zonder het budget voor veel gateways is het onwaarschijnlijk dat dit helpt.

Gecomprimeerde dankbetuigingen

LoRaWAN-bevestigingen zijn een dure hulpbron, aangezien elke tijd die wordt besteed aan het bevestigen van een bericht de tijd is dat de gateway niet beschikbaar is om uplink-verkeer te ontvangen.

Symphony Link groepeert alle bevestigingen in één sterk gecomprimeerd bericht dat alle knooppunten die in het vorige frame zijn verzonden, ontvangen.

Kwaliteit van service

Simpel gezegd, met QOS kunnen bepaalde knooppunten meer bronnen gebruiken dan andere, zodat belangrijk verkeer voorrang krijgt op minder belangrijk verkeer. Zo komen in overvolle netwerken de belangrijkste berichten (alarmen, etc.) toch door.

Luister voordat je praat

Ten slotte controleren Symphony Link-knooppunten vóór het verzenden of het kanaal vrij is van naburige knooppunten. Als ze een andere gebruiker in dat slot detecteren, springen ze onmiddellijk naar een nieuw kanaal.