Meningkatkan Skalabilitas LoRaWAN

Makalah yang baru-baru ini diterbitkan, “Apakah LoRa Low-Power Wide-Area Networks Scale?” oleh Martin Bor dan Utz Roedig dari Universitas Lancaster, Inggris mengangkat masalah skalabilitas di LoRaWAN ^TM jaringan.

Kesimpulan mereka adalah bahwa “Menurut penelitian kami yang disajikan dalam makalah, instalasi saat ini berdasarkan LoRaWAN tidak [skala]. (Bagian 6)” Makalah ini memperkirakan bahwa sekitar 120 node dapat digunakan dengan aman menggunakan gateway LoRaWAN tunggal, dengan asumsi setiap node mentransmisikan 20 byte setiap 16,7 menit. Banyak aplikasi yang terhubung akan menganggap kepadatan ini terlalu membatasi.

Salah satu fitur inti di Symphony Link ^TM , protokol Link Labs LoRa, adalah algoritme pemilihan parameter dinamis yang meningkatkan throughput dan keandalan secara dramatis, terutama untuk jaringan tanpa banyak gateway.

Masalah skalabilitas LoRaWAN disebabkan oleh 5 faktor:

1. Semua gateway dan node menggunakan saluran yang sama untuk semua transmisi.
2. Waktu siaran bisa sangat lama. (hingga 2 detik)
3. Semua transmisi uplink tidak terkoordinasi (Aloha Murni)
4. Semua transmisi gateway (Acknowledgement dan lalu lintas downlink) mengambil gateway “off the air”, tanpa sepengetahuan node yang mencoba mentransmisikan.
5. Gerbang LoRa berbasis SX1301 hanya memiliki 8 modem penerima untuk memproses lalu lintas simultan.

Aliansi LoRa (Link Labs adalah anggotanya) akan kesulitan untuk mengatasi keterbatasan ini secara memadai karena tujuan yang dinyatakan untuk mempertahankan kompatibilitas mundur. Sulit untuk menambahkan fitur pengorganisasian ke jaringan yang perlu mentolerir warisan, node tidak terkoordinasi pada saat yang sama.

Symphony Link meningkatkan skalabilitas dalam 6 cara:

1. Frekuensi Melompati Blok
2. Daya Transmisi Dinamis dan Pemilihan Faktor Penyebaran
3. Slot Uplink Sinkron
4. Batas Waktu Variabel Uplink/Downlink
5. Ucapan Terima Kasih Terkompresi
6. Kualitas Layanan
7. Dengarkan sebelum bicara

Frekuensi Block Hopping

Di Symphony Link, setiap node dipasangkan dengan satu gateway pada satu waktu. Gateway ini mengiklankan frekuensi uplink yang tersedia untuk node dalam frame saat ini. Hal ini memungkinkan gateway menggunakan seluruh spektrum ISM secara acak untuk lalu lintas uplink, sekaligus meminimalkan tabrakan uplink dengan gateway/jaringan lain.

Selain itu, jika gateway mendeteksi interferensi di bagian tertentu dari pita, gateway tidak akan menempatkan saluran uplink di spektrum tersebut.

Dengan menggunakan block hopping untuk membuat ratusan saluran uplink, node Symphony Link sepenuhnya sesuai dengan FHSS (Bagian 15), yang berarti daya pancar bisa 1W, jika diperlukan. Sertifikasi LoRaWAN di AS memerlukan mode "Hybrid" berdaya lebih rendah, karena LoRaWAN hanya melompati 8 saluran tetap.

Daya Transmisi Dinamis dan Pemilihan Faktor Penyebaran

Kecepatan dan daya data adaptif.

Untuk memanfaatkan sepenuhnya faktor penyebaran ortogonal (SF) (gateway dapat mendengar beberapa transmisi per saluran), node harus menggunakan SF dengan waktu tayang terpendek.

Selain itu, karena LoRa hanya memiliki rentang dinamis 20 dB (kemampuan untuk mendengar sinyal lemah dengan adanya sinyal kuat), node yang dekat dengan gateway harus mengirimkan dengan daya kurang dari penuh.

Node Symphony Link melakukannya dengan mengukur RSSI dari header frame gateway (setiap 2 detik) sesaat sebelum transmisi. Kemudian menghitung anggaran tautan terbalik, dan menyesuaikan output daya dan SF agar sesuai. Ini juga menerapkan penalti tautan yang dapat diatur pengguna untuk memastikan bahwa fading cepat tidak memakan rasio signal-to-noise (SNR).

Slot Uplink Sinkron

Skema slot uplink

LoRaWAN adalah jaringan "Aloha murni", yang berarti bahwa node mentransmisikan kapan pun mereka mau, tanpa terkoordinasi. Jaringan ini memiliki efisiensi maksimum sekitar 16%. Saat Anda menambahkan slot waktu, Anda dapat menggandakan efisiensi ini.

Namun, untuk menambahkan slotting, Anda harus memiliki semacam sinyal sinkronisasi. Di Symphony Link, header frame gateway menyetel waktu slot yang tersedia di setiap faktor penyebaran. Kemudian node dapat secara acak memilih slot waktu untuk meminimalkan kemungkinan mengganggu node lain.

Batas Waktu Variabel Uplink/Downlink

Variable Uplink Downlink Time Boundary

Ketika gateway LoRaWAN mentransmisikan, node di jaringan itu tidak tahu bahwa itu pada dasarnya tidak tersedia. Di Symphony Link kami menambahkan batas uplink/downlink variabel sehingga node tahu kapan gateway tersedia dan kapan tidak.

LoRaWAN mengatasi masalah ini dengan server jaringan yang dikendalikan secara terpusat yang berbagi lalu lintas downlink di antara banyak gateway, tetapi untuk kasus penggunaan tanpa anggaran untuk banyak gateway, sepertinya tidak akan membantu.

Pengakuan Terkompresi

Pengakuan LoRaWAN adalah sumber daya yang mahal karena setiap waktu yang dihabiskan untuk mengakui pesan adalah waktu gateway tidak tersedia untuk menerima lalu lintas uplink.

Symphony Link mengelompokkan semua acknowledgment ke dalam satu pesan yang sangat terkompresi yang diterima oleh semua node yang ditransmisikan dalam frame sebelumnya.

Kualitas Layanan

Sederhananya, QOS memungkinkan node tertentu untuk menggunakan lebih banyak sumber daya daripada yang lain, sehingga lalu lintas penting diprioritaskan daripada lalu lintas yang kurang penting. Dengan cara ini dalam jaringan yang padat, pesan yang paling penting (alarm, dll.) akan tetap dapat terkirim.

Dengarkan sebelum bicara

Terakhir, node Symphony Link memeriksa apakah saluran tersebut bersih dari node tetangga sebelum melakukan transmisi. Jika mereka mendeteksi pengguna lain di slot itu, mereka langsung melompat ke saluran baru.