Повышение масштабируемости LoRaWAN

Недавно опубликованный документ «Масштабируются ли глобальные сети с низким энергопотреблением LoRa?» Мартина Бора и Утца Рёдига из Ланкастерского университета, Великобритания, поднимают вопрос масштабируемости в LoRaWAN ^TM сети.

Их вывод таков:« Согласно нашему исследованию, представленному в статье, текущие установки на основе LoRaWAN не [масштабируются]. (Раздел 6) ». В документе оценивается, что около 120 узлов могут быть безопасно развернуты с использованием одного шлюза LoRaWAN, предполагая, что каждый узел передает 20 байтов каждые 16,7 минут. Многие подключенные приложения сочтут эту плотность слишком ограниченной.

Одна из основных функций Symphony Link ^TM Протокол Link Labs LoRa представляет собой алгоритм динамического выбора параметров, который значительно повышает пропускную способность и надежность, особенно для сетей без нескольких шлюзов.

Проблемы с масштабируемостью LoRaWAN являются результатом 5 факторов:

1. Все шлюзы и узлы используют одни и те же каналы для всех передач.
2. Время в эфире может длиться довольно долго. (до 2 секунд)
3. Все передачи по восходящему каналу не скоординированы (Pure Aloha)
4. Все передачи шлюза (подтверждение и трафик по нисходящей линии связи) отключают шлюз от эфира, без ведома узлов, пытающихся передать.
5. Шлюзы LoRa на базе SX1301 имеют только 8 модемов-приемников для одновременной обработки трафика.

Альянс LoRa (Link Labs является участником) будет трудно адекватно устранить эти ограничения из-за заявленной цели поддержания обратной совместимости. Трудно добавить функции организации в сеть, которая должна одновременно допускать устаревшие нескоординированные узлы.

Symphony Link улучшает масштабируемость шестью способами:

1. Переключение блока частоты
2. Выбор динамической мощности передачи и коэффициента распространения
3. Синхронное размещение восходящих каналов
4. Переменная временная граница восходящего / нисходящего канала
5. Сжатые благодарности
6. Качество обслуживания
7. Послушайте, прежде чем говорить.

Скачкообразная перестройка частоты

В Symphony Link каждый узел одновременно связан с одним шлюзом. Этот шлюз объявляет частоты восходящей линии связи, доступные узлам в текущем кадре. Это позволяет шлюзами псевдослучайно использовать весь спектр ISM для восходящего трафика, сводя к минимуму конфликты восходящего канала с другими шлюзами / сетями.

Кроме того, если шлюз обнаруживает помехи в определенной части диапазона, он не помещает каналы восходящей линии связи в этот спектр.

Используя блочное переключение для создания сотен каналов восходящей линии связи, узлы Symphony Link полностью совместимы с FHSS (Часть 15), что означает, что мощность передачи при необходимости может составлять 1 Вт. Для сертификации LoRaWAN в США требуется «гибридный» режим пониженного энергопотребления, поскольку LoRaWAN переключается только по 8 фиксированным каналам.

Выбор динамической мощности передачи и коэффициента расширения

Адаптивная скорость передачи данных и мощность.

Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами ортогональных коэффициентов расширения (SF) (шлюз может слышать несколько передач на канал), узел должен использовать SF с наименьшим временем нахождения в эфире.

Кроме того, поскольку LoRa имеет динамический диапазон только 20 дБ (способность слышать слабые сигналы при наличии сильных сигналов), узлы, расположенные рядом со шлюзом, должны передавать с меньшей, чем полная мощность.

Узлы Symphony Link достигают этого, измеряя RSSI заголовка кадра шлюза (каждые 2 секунды) непосредственно перед передачей. Затем он вычисляет бюджет обратной линии связи и регулирует выходную мощность и SF для согласования. Он также применяет устанавливаемые пользователем штрафы за канал, чтобы гарантировать, что быстрое замирание не влияет на отношение сигнал / шум (SNR).

Синхронное размещение восходящих каналов

Схема размещения каналов восходящего канала

LoRaWAN - это сеть «чистого Aloha», что означает, что узлы передают данные, когда захотят, без координации. Эти сети имеют максимальный КПД около 16%. Когда вы добавляете временные интервалы, вы можете удвоить эту эффективность.

Однако, чтобы добавить слот, вам нужен какой-то синхронизирующий сигнал. В Symphony Link заголовок кадра шлюза устанавливает доступную синхронизацию слотов при каждом коэффициенте расширения. Затем узлы могут случайным образом выбрать временной интервал, чтобы минимизировать вероятность того, что они будут мешать другому узлу.

Переменная временная граница восходящего / нисходящего канала

Переменная временная граница нисходящего канала восходящей линии связи

Когда шлюз LoRaWAN передает данные, узлы в этой сети не знают, что он по существу недоступен. В Symphony Link мы добавили переменную границу восходящего / нисходящего канала, чтобы узлы знали, когда шлюз доступен, а когда нет.

LoRaWAN решает эту проблему с помощью централизованно управляемого сетевого сервера, разделяющего нисходящий трафик между множеством шлюзов, но для случаев использования без бюджета для многих шлюзов это вряд ли поможет.

Сжатые благодарности

Подтверждения LoRaWAN являются дорогостоящим ресурсом, поскольку любое время, потраченное на подтверждение сообщения, - это время, когда шлюз недоступен для приема трафика восходящей линии связи.

Symphony Link группирует все подтверждения в одно сильно сжатое сообщение, которое получают все узлы, переданные в предыдущем кадре.

Качество обслуживания

Проще говоря, QOS позволяет одним узлам использовать больше ресурсов, чем другим, поэтому важный трафик имеет приоритет над менее важным. Таким образом, в перегруженных сетях самые важные сообщения (сигналы тревоги и т. Д.) Все равно будут проходить.

Послушайте, прежде чем говорить

Наконец, узлы Symphony Link перед передачей проверяют, свободен ли канал от любых соседних узлов. Если они обнаруживают другого пользователя в этом слоте, они мгновенно переключаются на новый канал.