绩效评估的LoRaWAN在大规模无线传感器网络通信的可伸缩性

文摘

LoRaWAN通信协议可以用于物联网的实现(物联网)的概念。目前,大多数信息的可伸缩性罗拉技术是商业和处理最好的情况。因此,我们需要现实的模型,使适当的性能水平的评估。大多数时候,物联网的概念需要大量的节点分布在一个广泛的地理区域,因此形成一个高密度、大规模的架构。重要的是要确定碰撞的数量,这样我们可以评估网络的性能。本文旨在评估的性能水平LoRaWAN技术通过分析数据包的数量可以发生碰撞。因此,本文确定罗拉节点的最大数量,可以考虑到LoRaWAN与网关通信协议规范。此外,我们提出了一系列的解决方案减少碰撞的数量,提高通信信道的容量。

1。介绍

最近出现了新技术,如罗拉(长期)1],Sigfox [2),和轻便3),使有效的长距离无线通信。无线传感器网络(WSN)有可能改善我们的生活。最近几年我们见证了WSN主题之间的融合和物联网(物联网)的概念。这些新兴的新技术能够提高生活质量。物联网的概念是指不同的设备和网络节点的互连。的概念需要集成传感器,通常有低处理能力和通信能力有限是大多数时候电池供电。

LTE(长期演进)移动网络使用一个集中的管理系统,通过实现一个星形网络拓扑结构。一个LTE基站通常可以处理几成千上万的设备,因此,现有的移动基础设施还没有准备好把成千上万的设备,为未来的物联网应用提供支持。

因此,当务之急是开发、分析并实施新技术、提高性能通过最大化可伸缩性,所有通过增强M2M机器对机器通信。LPWA(低功耗宽区域)在M2M通信技术是最常用的。这些网络实际上是一个接口之间的工业环境和中央服务器领域数据收集、处理和存储。

LPWA节点的主要特点是操作在没有执照的ISM频段,延长电池寿命的几十年,和低数据传输速率低成本无线模块。同时,节点必须能够感觉并与之交互的环境。技术性能通常取决于信道访问技术、工作周期规定,其他参数调制机理和频谱分配。

这些LPWA技术必须获得一个可靠的数据传输在数万公里,通过使用高通信链路预算-125 dBm而实现接收机的灵敏度,从而拥有解码高度衰减信号的能力。通信范围广阔的低数据率增加。使用调制机制可分为窄带和宽带技术。

这些技术通常用于stars-of-stars网络拓扑形式。这消除了需要发展和实施的某些复杂的多次反射技术,每个节点能够直接与汇聚节点通信(网关节点)。LoRaWAN(远程广域网)通信协议实现物联网的概念是一个有用的候选人。罗拉调制位于LoRaWAN通信协议的物理层。这个灯是由Semtech专利。

本文结构如下:内简短的介绍部分1紧随其后的是一个简短的陈述的罗拉技术。部分3介绍了美国存托凭证(自适应数据速率)机制LoRaWAN内定义的协议。信道访问技术和短的复习为了突出需要实现一项研究评估的可伸缩性罗拉技术解决部分4和5。部分6概述,并讨论了实验结果通过分析碰撞产生的通信通道的数量。结论本文结束。

这个工作的主要贡献主要是执行一项研究旨在评估与LoRaWAN相关通信协议的性能水平。因此,我们分析碰撞和吞吐量的数量参数,通过研究的影响参数:传播因素,工作周期和信道带宽。

2。罗拉技术

罗拉调制位于LoRaWAN通信协议的物理层。这种调制在sub-GHz ISM(工业、科学和医疗)乐队使用专有光谱技术扩散。调制提供双向通信通过一个特殊的CSS(线性调频扩频)扩频窄带信号传播的机制在更大的频带。由此产生的调制信号是高度耐噪音和干扰。

发射机修改啁啾信号频率随时间变化不改变信号的相位之间的两个相邻符号。只要调制频率足够缓慢,把更多的精力放在唧唧喳喳的象征,位于非常大的距离可以解码的接收器严重衰减信号。

LoRaWAN规范定义了三种类型的节点:类A, B和c类设备将消息发送到网关模块在某一段时间,这取决于应用程序的细节。然后,罗拉节点打开一个接收槽允许网关发送ACK(确认)消息或其它类型的命令。网关节点接收消息从罗拉节点,并将它们发送到网络服务器。

B类扩展类通过添加预定消息接收槽;C组延长,总是保持接收时段开放,除非发送信息。通常,一个a类或B类设备是由一个电池;与此同时一个C型节点是由电网由于高能源消耗。

罗拉通信支持多个扩散因子(SF)(6 - 12)实现妥协之间的通信和数据传输速率范围。它还使用了一个前向纠错(FEC)技术,随着罗拉调制,提高接收机的灵敏度。表1列出了罗拉通信协议的主要参数,如扩散因子、信道带宽,传输功率。

LoRaWAN使用的通信协议是罗拉物理层的调制。图1礼物罗拉通信系统的体系结构,包括终端设备模块和网关模块,中继消息罗拉内的网络服务器架构。用户与系统交互的应用程序。

数据传输速率变化从300个基点,至37.5 kbps,根据扩散因子和通信信道的带宽。罗拉网关能够同时接收和广播消息使用不同的科幻小说(传播因素)。罗拉特定的体系结构是由终端节点和网关模块从网络服务器的终端节点重新发送消息。

消息发送的罗拉终端设备接收网关设备,所以star-of-stars创建网络拓扑。实现这种程度的多样性增加的可能性成功将收到一条消息,导致部署本地化服务的可能性。本地化服务的实现涉及到使用一个到达时差(辐射源脉冲)技术,这需要使用网关同步技术。

罗拉规范允许设备和网关能够随时传送。没有渠道验证过程或CSMA(载波监听多路访问)算法实现,以避免碰撞。LoRaWAN协议使用一个迎宾类型通信机制,在数据包的长度是可变的。根据罗拉协议规范,节点可以在任何可用的传输通道在任何时候使用任何可用的数据率,只要遵守一些规则。节点选择为每个传输通道以伪随机模式。频率转移提供了罗拉通信的主要优势是抵抗干扰。罗拉节点方面的责任周期参数和其他规定分配给该地区在其运作。

罗拉通讯,868年欧洲区域和ISM频段,有监管责任周期参数从0,1%到1%。的参数取决于部分波段分配和实现网络的地理区域。在先前的论文发表的作者(4),占空比限制和ToA空气(时间)的影响进行了详细分析。如果是有限责任周期参数为0,1%罗拉节点只能沟通3、6秒每小时假设不存在其他限制。

图2介绍了ToA参数不同的科幻和数据包的有效载荷。我们可以观察到,如果科幻小说增加了ToA参数显著更高。结果的频率信道带宽是250千赫。例如,如果数据包的有效载荷是40字节科幻= 8我们获得60 ms的ToA如果科幻= 12获得ToA大约是872 ms。罗拉的一个策略来增加传输时间节点分配的部分波段之间切换频道。

如果科幻参数增加了通信范围增加;与此同时,数据率却降低了。这方面决定了高ToA参数。所以,罗拉技术提供了数据率和通信范围之间的妥协。

3所示。LoRaWAN数据速率

罗拉节点设置数据率的可能性,根据地方法规。数据速率设置编号从0到6和表示一组预定义的设置,如扩散因子和编码率。可以选择某个数据速率的帮助下一些命令在MAC级别。规范推荐某一数据速率控制算法的实现。算法由网络服务器可以发送控制命令到MAC节点增加或减少数据率,根据接收到的信号水平。当一个ACK确认机制实现,如果节点没有收到第一个连续两次确认,它自动执行数据率的下调。

表2介绍了数据速率LoRaWAN定义的规范。LoRaWAN规范定义了一个机制来调整自适应数据速率(ADR)传输速率没有给出任何细节关于监控参数或参与选择过程。

网络的东西(TTN) [5)是一种数据聚合服务提供者,允许建立一个物联网网络。在本例中,网关模块将收集到的数据传输到TTN网络;与此同时,用户意见和与数据交互,通过使用一个web界面。TTN定义的基础设施使用一种修改版的ADR算法,可以仅适用于静态节点。使用机制的决定可以在节点级别可能会选择这个特性。从一个节点决定使用ADR算法,网络将收集信噪比参数和网关,收到信号的数量在过去的20包。为了处理这些信息计算出保证金用于增加或降低数据率通过设置一个较低的传输功率(6]。因此,决定改变数据速率。

论文(7- - - - - -10)分析和评估罗拉技术的各个方面,从通信通道的造型物联网应用的发展。然而,这些作品来执行通信信道容量的分析考虑各种配置。在以前发表的论文的作者4,11,12]LoRaWAN沟通的不同的挑战和问题进行了分析和讨论。本文的主要贡献是分析和评价的通信信道访问机制。在分析获得的结果,我们提出的一系列行动和解决方案旨在提高性能水平减少碰撞在通信通道的数量。

4所示。信道访问技术

LoRaWAN网络需要使用不同的沟通渠道,由网关设备配置和监控。分配渠道的数量取决于区域的限制或其他特定于无线网络的配置。因此,有渠道致力于数据传输(称为主要渠道)和一个通道专用网关响应罗拉节点(下行信道),最后我们有渠道罗拉节点用于将请求发送到网关模块(上行通道)。

罗拉节点发送一个数据包时,随机选择一个通道和传输,没有以前的载波监听类型的执行验证和不使用一个预设的同步时间槽。这种机制的访问是一个特定的迎宾类型访问,提到的包的长度是可变的。执行传输后,罗拉节点打开接收机两个短接收插槽:第一个槽对应上行通道,而第二个对应于下行通道。

LoRaWAN定义了欧洲区十沟通渠道。从这些8频道有多个不同的数据通道从250个基点,至5 kbps。有两个高速频道提供11 kbps的传输速率和50 kbps,分别使用了移频键控(频移键控)调制。最大允许传输功率是+ 14 dBm的欧盟地区。无线通信链路预算高达155分贝。

科幻小说(扩散因子)参数发生在罗拉调制基本上是符号率和芯片之间的比例。使用高科幻决定增加的信号噪声比(信噪比)参数,提高接收机灵敏度,但产生的副作用增加数据包的通话时间。符号是由使用的编码芯片。因此,如果使用12的科幻小说,使用4096芯片/符号。科幻的参数值从6到12。

图3介绍了罗拉的沟通渠道ISM 868 MHz频段对欧盟地区。乐队从863年到870 MHz定义。可以看出,8通道由0.3 MHz,除了频道17日高数据速率通道。

图4显示了接收插槽LoRaWAN协议的定义;时间间隔排列在不同的时间段间隔时间时刻的罗拉节点传输信息。

第一个接收槽是开了T₁秒后完成上行传输,而第二个槽是一秒后打开。上行信道用于第一个槽,在下行信道用于第二个槽。使用这种通信机制的原因是减少能源消耗与沟通过程有关。罗拉节点不开第二通信槽时收到一个帧内第一个槽。也可以发送一个应答接收确认,可以要求网关模块和罗拉节点。

罗拉规范没有指定接收槽的长度;然而,它应该大到足以使接收机有效检测罗拉数据包同步所需的渗透率。T值₁可配置和隐式等于第二个时期。

根据LoRaWAN规范定义的罗拉联盟,一个网关模块可以把数据传输到一个类只有一个节点在接收槽后才可以启动罗拉节点发送一个数据包。这减少了能源消耗的罗拉节点没有爱惜网关模块不是电池供电的。因此,类不能保证某个最大下行消息延迟,所以应该使用类B或C对延迟敏感的应用程序。

如果节点没有收到ACK消息,它重新传输相同的消息。这个重传上执行一个随机选择的频道在一个时间周期长或等于ACK超时秒;参数是随机选择1到3秒。同时,执行重新传输在传输速率低很多。的最大值设置为8,后包消除,和MAC(介质访问控制)层将通知应用程序级别的传输失败。如果罗拉节点要发送一个空的框架,它仍然需要包含13个字节的有效载荷,因为开销。ISM 863 - 870 MHz频段,ACK的时间几乎是1秒(虽然一个框架的最大长度需要2.4秒的时间框架)(1]。

5。相关工作

Mikhaylov et al。13)分析和评估的吞吐量罗拉技术,确定数据包的通话时间。因此,它是可能的估计的最大数量节点与网关通信模块。本文的目的是分析迎宾通信机制。在实证层面获得的结果。数学模型给出了通信信道的访问机制(14]。某一阈值的网络负载估计也是本文计算的吞吐量。当达到这个阈值时,每(包错误率)参数迅速增加向1时,由于包传送导致雪崩效应导致通信通道的饱和度。

Bor et al。15]分析了通信信道的访问机制。从结果可以看出,当使用相同的科幻(扩散因子),通过接收机和发射机,即使第三个节点接收到的数据包试图干扰传输。因此,通过使用不同渠道的分离科幻证明有效。一个或两个同时传输可以收到有高概率,如果有至少3符号分离时间。本文还分析了实现载体活动检测机制的可能性。通信参数的自动选择的算法提出了(16),实现尽可能高的性能水平,同时确保能源效率。

Blenn n . et al。17)获得的一系列实验和实证结果分析载荷的影响接收信号的质量。实验已经进行了超过一个8个月时期,结果显示,罗拉通道入住率不是均匀分布的,这一事实有助于降低性能。这种现象是基于事实,大多数的罗拉节点使用默认设置程序的制造商,这一事实导致某些渠道的过载。本文的目的是使用特定的用户定义的沟通渠道根据RF(射频)环境拥挤。

在[18),罗拉调制的多普勒效应进行了分析,通过执行一系列的实验测量。从获得的结果,作者认为,通过使用科幻= 12,30公里的通信范围的包丢失可以获得62%。在[19数学模型的罗拉调制和解调过程的基于信号处理理论。本文还提出了一种比较罗拉调制之间的性能水平和移频键控(频移键控)调制,关于编码的误比特率参数的值。所得结果表明,在AWGN(加性高斯白噪声)频道,罗拉调制确保更高的性能水平。

廖et al。20.]分析的影响同时罗拉传输性能水平。提出了CT(并发传输)的集成类型涌入技术。CT是一种极其高效的洪水类型协议,最近彻底改变了设计的多次反射网络基于IEEE-802.15.4标准。而不是试图避免数据包碰撞,CT允许多个节点同时发送相同的数据包内容,同时时刻。通过允许这样的同步数据包碰撞,CT可以快速连续传送的数据包,大大提高网络的效率。提出了这样一个策略的实现增加罗拉网络的性能水平通过引入多次反射机制。没有论文评估节点的最大数量可以沟通渠道,考虑到实际实现的场景。

6。模拟结果

LoraSim [21]模拟器已经适应和修改符合设计的场景。模拟器是基于数学模型(22罗拉的通信,能够监测结果的碰撞(23]。同时,罗拉接收器的灵敏度值表3综合的数学模型。

目前,大多数信息的可伸缩性罗拉技术是商业和处理最好的情况。因此,我们需要现实的模型,使适当的性能水平的评估。表4显示了模拟仿真模型中使用的参数。可以看出有3例实施,A, B和c中使用的参数模拟扩散因子、信道带宽和编码率。

图5显示了罗拉的数据包的总数。工作周期参数是1%。100个节点有大约10.000数据包传输。在这种情况下,科幻参数是12,信道带宽是125千赫,编码速率是4/8。考虑我们的模拟场景,提出模型中,节点必须符合1%的占空比限制。因此,在一个24小时间隔一个节点传输一个数据包每14,4分钟。最后一个节点将每天大约11包。

图6显示碰撞时产生的数量参数表4已经被使用。碰撞参数(数据包碰撞率)显示在相撞的数据包数量百分比和代表发送的数据包的总数。我们使用这个方法来估计的最大数量罗拉节点可以在单一的通信信道进行通信。因此,0%的值代表的事实没有碰撞记录;如果注册值是100%,没有被接收的数据包。为了获得高性能水平,有必要数量的碰撞在传输数据包的总数的5%。

分析碰撞参数不捕捉单个节点的性能但代表了全球指标分析整个网络体系结构。碰撞参数评估当网络节点的总数从100增加到1000,4.500节点,分别。

罗拉包中使用模拟的大小大约是20个字节。模拟时间是24小时。每个节点发送数据包到网关模块每14.4分钟,遵循LoRaWAN规范责任周期的限制。一个配置是最常用在实践中,因为它确保了最大的通信半径。模拟B配置对应于最快的传输速率;这就是为什么我们还可以观察到最低的错误率;因为信息包的通话时间是最低的,7.07毫秒,碰撞发生的概率很低。它可以注意到C配置通话时间1.712秒;因此,碰撞的数量远远高于B配置。因此,碰撞的数量为100个节点配置一个26.6%,9.73%配置B, C和31%配置。

图7介绍了碰撞参数当节点的数量从100年到1000年不等。的最大信道容量达到95%的数据包传输时受到碰撞的影响。从获得的结果,我们可以得出这样的结论:节点的最大数量可以交流在罗拉频道大约是875个节点的配置和1000节点配置c。在这个特定的场景中使用的工作周期是1%。

图8介绍了碰撞参数当责任周期参数从1%降低到0.5%。获得的结果表明,碰撞的数量显著降低时,减少工作周期参数。碰撞的数量减少了约40%,从而增加罗拉通信信道的容量。

图9代表节点时的碰撞参数数量从500增加到4500。结果表明,节点的最大数量可以交流通道是大约4000,当责任周期的参数是0,5%。使用的参数是科幻小说= 12,BW = 125, CR = 4/8。

从结果中,我们可以看到节点的数量从500年到1000年增加了一倍,决定增加碰撞参数的20岁的7%。

图10显示发送的数据包数量当节点的数目是不同的从1000年到7000年,工作周期参数是0,1%,0,5%。从获得的结果,我们可以观察到,如果责任周期参数是0,5%,我们获得发送数据包的总数为40.000。由于碰撞现象,并不是所有的数据包将被接收。

图11显示了碰撞参数减少工作周期参数时从0,5%为0,1%。这一现象产生的通信信道容量的增加。在这个配置理论,几乎7000个节点可以集成的通信通道。从结果中,我们可以看到,4000个节点的碰撞参数水平近27%低于在前面的情况下(比如,一个工作周期的0,5%)。数1000如果责任周期参数是0,1%,26岁的碰撞参数几乎是4%。这意味着从发送的数据包的总数,只有26岁,4%受到碰撞的影响。

图12显示网络的吞吐量当节点的数目是不同的从1000年到7000年,工作周期参数是0,1%。吞吐率代表的数据包发送成功;随着节点数量的增加,罗拉网络的吞吐量下降是因为碰撞的数量增加。

7所示。结论

本文的目的是分析LoRaWAN技术的性能水平,通过关注节点的最大数量可以交流在罗拉通信通道,从而通过评估技术在大规模WSN的可伸缩性。

从获得的结果,我们可以得出这样的结论:配置最低的传输速率可以确保最高水平的碰撞。因为包的时间几秒钟,容易碰撞,会影响通信信道的容量。配置最低的传输速率是最常用的,因为它确保了最大的通信范围使用高扩散因子(例如,科幻小说= 12)。因此,妥协是达成降低传输速率和增加的通信范围。一个可能的解决方案,减少碰撞的数量将会增加传输速率在应用程序级别或减少工作周期参数。的最大数量的节点可以使用相同的罗拉频道,这样我们就能获得一个高水平的性能,几乎1000个节点。

网关模块可以同时接收数据在所有8沟通渠道。从获得的结果,我们可以得出结论,数量约8000个节点可以同时与网关通信模块在工作周期参数是1%。这只可以集成的节点数量如果我们假设之间没有干扰的两个相邻的沟通渠道。通过使用各种参数,如扩散因子和带宽,可以进一步的节点数量增加。吞吐率代表的数据包发送成功;随着节点数的增加罗拉网络的吞吐量下降。

对于传输速率低,罗拉网络的吞吐量受到碰撞的数量。传输速率增加时,罗拉网络的吞吐量是有限的责任周期参数,限制传输数据包的数量,因此稳定的吞吐量。如果网络有大量的节点,吞吐量的数量是有限的碰撞;与此同时,网络的节点数量较低的吞吐量受到周期性参数(25]。

扩散因子有显著影响的范围网络的数据传输速率(26]。因此,罗拉技术适用于低功耗网络,提供了一种降低传输速率和通信半径几公里。结果表明,该通信机制类似于ALOHA协议。性能水平迅速降低当节点的数量明显增加。

另一个可能的解决方案来减少碰撞可以集成通信信道占用控制机制启动传输。能量的控制可以检测类型。减少碰撞机制可以实现的ADR算法,可以启用自动数据率改变如果检测到碰撞。这个解决方案实现避碰的机制将增加罗拉节点的功耗。另一个解决方案,减少碰撞的数量可以消除ACK机制(27]。一个更极端的选择是消除双向性,这意味着一个罗拉节点可以只发送消息没有接收消息的网关模块。

不同的可能性可能会限制一个数据包的发送的最大值,这取决于应用程序;当一个包没有收到正确的,它可能会被丢弃。大多数时候,物联网的概念需要大量的节点分布在一个广泛的地理区域,因此形成一个高密度、大规模的架构。重要的是要确定碰撞的数量,这样我们可以评估网络负载和估计通信信道的容量。本文的主要贡献是罗拉的绩效评估沟通通过确定节点的最大数量,可以在罗拉频道沟通考虑责任周期的限制。

数据可用性

数据结果用于支持本研究的结果提出了可从相应的作者(Alexandru Lavric)要求。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作中使用的基础设施支持的项目“集成中心的研究、开发和创新先进材料,纳米技术,和分布式系统的制造和控制”,合同编号。671/09.04.2015,部门运作计划增加的经济竞争力得到欧洲区域发展基金。

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