Améliorer l'évolutivité de LoRaWAN

L'article récemment publié, "Do LoRa Low-Power Wide-Area Networks Scale?" par Martin Bor et Utz Roedig de l'Université de Lancaster, Royaume-Uni soulève la question de l'évolutivité dans LoRaWAN ^TM réseaux.

Leur conclusion est que « Selon notre étude présentée dans le document, les installations actuelles basées sur LoRaWAN ne sont pas [à l'échelle]. (Section 6) » Le document estime qu'environ 120 nœuds peuvent être déployés en toute sécurité à l'aide d'une seule passerelle LoRaWAN, en supposant que chaque nœud transmette 20 octets toutes les 16,7 minutes. De nombreuses applications connectées trouveront cette densité trop limitante.

L'une des fonctionnalités principales de Symphony Link ^TM , le protocole Link Labs LoRa, est un algorithme de sélection de paramètres dynamique qui améliore considérablement le débit et la fiabilité, en particulier pour les réseaux sans passerelles multiples.

Les problèmes d'évolutivité de LoRaWAN sont le résultat de 5 facteurs :

1. Toutes les passerelles et tous les nœuds utilisent les mêmes canaux pour toutes les transmissions.
2. Le temps d'antenne peut être assez long. (jusqu'à 2 secondes)
3. Toutes les transmissions montantes ne sont pas coordonnées (Pure Aloha)
4. Toutes les transmissions de passerelle (trafic d'accusé de réception et de liaison descendante) retirent la passerelle « de l'antenne », à l'insu des nœuds essayant de transmettre.
5. Les passerelles LoRa basées sur SX1301 n'ont que 8 modems récepteurs pour traiter le trafic simultané.

L'Alliance LoRa (Link Labs est membre) aura du mal à répondre de manière adéquate à ces limitations en raison de l'objectif déclaré de maintenir la compatibilité descendante. Il est difficile d'ajouter des fonctionnalités d'organisation à un réseau qui doit tolérer en même temps des nœuds hérités et non coordonnés.

Symphony Link améliore l'évolutivité de 6 manières :

1. Saut de bloc de fréquence
2. Sélection dynamique de la puissance de transmission et du facteur d'étalement
3. Slot de liaison montante synchrone
4. Limite de temps variable pour les liaisons montantes/descendantes
5. Remerciements compressés
6. Qualité de service
7. Écouter avant de parler

Saut de bloc de fréquence

Dans Symphony Link, chaque nœud est associé à une passerelle à la fois. Cette passerelle annonce les fréquences de liaison montante disponibles pour les nœuds dans la trame actuelle. Cela permet aux passerelles d'utiliser de manière pseudo-aléatoire l'intégralité du spectre ISM pour le trafic de liaison montante, tout en minimisant les collisions de liaison montante avec d'autres passerelles/réseaux.

De plus, si une passerelle détecte des interférences dans une certaine partie de la bande, elle ne placera pas de canaux de liaison montante dans ce spectre.

En utilisant le saut de bloc pour créer des centaines de canaux de liaison montante, les nœuds Symphony Link sont entièrement conformes à la norme FHSS (partie 15), ce qui signifie que la puissance de transmission peut être de 1 W, si nécessaire. La certification LoRaWAN aux États-Unis nécessite un mode « hybride » à faible consommation, car LoRaWAN ne saute que sur 8 canaux fixes.

Sélection dynamique de la puissance de transmission et du facteur d'étalement

Débit de données et puissance adaptatifs.

Afin de tirer pleinement parti des facteurs d'étalement orthogonal (SF) (la passerelle peut entendre plusieurs transmissions par canal), le nœud doit utiliser le SF avec le temps d'antenne le plus court.

De plus, étant donné que LoRa n'a que 20 dB de plage dynamique (capacité à entendre des signaux faibles en présence de signaux forts), les nœuds proches de la passerelle doivent transmettre à une puissance inférieure à la pleine puissance.

Les nœuds Symphony Link y parviennent en mesurant le RSSI de l'en-tête de trame de passerelle (toutes les 2 secondes) juste avant la transmission. Il calcule ensuite le bilan de la liaison inverse et ajuste la puissance de sortie et la SF en conséquence. Il applique également une pénalité de liaison réglable par l'utilisateur pour garantir qu'un évanouissement rapide n'entame pas le rapport signal/bruit (SNR).

Slot de liaison montante synchrone

Schéma d'emplacement de liaison montante

LoRaWAN est un réseau « pur Aloha », ce qui signifie que les nœuds transmettent quand ils le souhaitent, sans être coordonnés. Ces réseaux ont une efficacité maximale d'environ 16 %. Lorsque vous ajoutez des plages horaires, vous pouvez doubler cette efficacité.

Cependant, afin d'ajouter des slots, vous devez disposer d'une sorte de signal de synchronisation. Dans Symphony Link, l'en-tête de trame de passerelle définit la synchronisation d'intervalle disponible à chaque facteur d'étalement. Ensuite, les nœuds peuvent choisir au hasard un intervalle de temps pour minimiser le risque d'interférence avec un autre nœud.

Limite de temps variable pour les liaisons montantes/descendantes

Limite de temps de liaison descendante variable

Lorsqu'une passerelle LoRaWAN transmet, les nœuds de ce réseau ne savent pas qu'elle est essentiellement indisponible. Dans Symphony Link, nous avons ajouté une limite variable de liaison montante/descendante afin que les nœuds sachent quand la passerelle est disponible et quand elle ne l'est pas.

LoRaWAN résout ce problème avec un serveur réseau contrôlé de manière centralisée partageant le trafic de liaison descendante entre de nombreuses passerelles, mais pour les cas d'utilisation sans budget pour de nombreuses passerelles, il est peu probable que cela aide.

Remerciements compressés

Les accusés de réception LoRaWAN sont une ressource coûteuse car tout temps passé à accuser réception d'un message est le temps pendant lequel la passerelle n'est pas disponible pour recevoir le trafic de liaison montante.

Symphony Link regroupe tous les accusés de réception dans un message hautement compressé que tous les nœuds qui ont transmis dans la trame précédente reçoivent.

Qualité de service

En termes simples, QOS permet à certains nœuds d'utiliser plus de ressources que d'autres, de sorte que le trafic important est prioritaire sur le trafic moins important. De cette façon, dans les réseaux encombrés, les messages les plus importants (alarmes, etc.) passeront toujours.

Écouter avant de parler

Enfin, les nœuds Symphony Link vérifient que le canal est libre de tout nœud voisin avant de transmettre. S'ils détectent un autre utilisateur dans cet emplacement, ils accèdent instantanément à une nouvelle chaîne.