Verbesserung der LoRaWAN-Skalierbarkeit

Das kürzlich veröffentlichte Papier "Do LoRa Low-Power Wide-Area Networks Scale?" von Martin Bor und Utz Roedig von der Lancaster University, UK, wirft das Problem der Skalierbarkeit von LoRaWAN ^TM auf Netzwerke.

Ihre Schlussfolgerung lautet:„Laut unserer im Paper vorgestellten Studie können aktuelle Installationen auf Basis von LoRaWAN nicht [skalieren]. (Abschnitt 6)“ Das Papier schätzt, dass mit einem einzigen LoRaWAN-Gateway ungefähr 120 Knoten sicher bereitgestellt werden können, wenn jeder Knoten alle 16,7 Minuten 20 Byte überträgt. Viele verbundene Anwendungen werden diese Dichte als zu einschränkend empfinden.

Eine der Kernfunktionen von Symphony Link ^TM , das LoRa-Protokoll von Link Labs, ist ein dynamischer Parameterauswahlalgorithmus, der den Durchsatz und die Zuverlässigkeit dramatisch verbessert, insbesondere für Netzwerke ohne mehrere Gateways.

Die Skalierbarkeitsprobleme von LoRaWAN sind das Ergebnis von 5 Faktoren:

1. Alle Gateways und Knoten verwenden für alle Übertragungen dieselben Kanäle.
2. Die Sendezeit kann ziemlich lang sein. (bis zu 2 Sekunden)
3. Alle Uplink-Übertragungen sind unkoordiniert (Pure Aloha)
4. Alle Gateway-Übertragungen (Bestätigung und Downlink-Datenverkehr) nehmen das Gateway „aus der Luft“, ohne dass die Knoten, die versuchen zu übertragen, etwas wissen.
5. SX1301-basierte LoRa-Gateways haben nur 8 Empfängermodems, um gleichzeitigen Datenverkehr zu verarbeiten.

Die LoRa-Allianz (Link Labs ist Mitglied) wird es aufgrund des erklärten Ziels der Aufrechterhaltung der Abwärtskompatibilität schwierig finden, diese Einschränkungen angemessen anzugehen. Es ist schwierig, einem Netzwerk, das gleichzeitig veraltete, unkoordinierte Knoten tolerieren muss, Organisationsfunktionen hinzuzufügen.

Symphony Link verbessert die Skalierbarkeit auf 6 Arten:

1. Frequency Block Hopping
2. Dynamische Sendeleistung und Spreizfaktorauswahl
3. Synchrones Uplink-Slotting
4. Variable Uplink-/Downlink-Zeitgrenze
5. Komprimierte Danksagungen
6. Servicequalität
7. Höre zu, bevor du sprichst

Frequency Block Hopping

In Symphony Link ist jeder Knoten mit jeweils einem Gateway gepaart. Dieses Gateway gibt die Uplink-Frequenzen bekannt, die den Knoten im aktuellen Frame zur Verfügung stehen. Dadurch können Gateways das gesamte ISM-Spektrum pseudozufällig für den Uplink-Verkehr verwenden, während Uplink-Kollisionen mit anderen Gateways/Netzwerken minimiert werden.

Wenn ein Gateway außerdem Interferenzen in einem bestimmten Teil des Bandes erkennt, platziert es keine Uplink-Kanäle in diesem Spektrum.

Durch die Verwendung von Blockhopping zum Erstellen Hunderter von Uplink-Kanälen sind Symphony Link-Knoten vollständig FHSS (Part 15)-kompatibel, was bedeutet, dass die Sendeleistung bei Bedarf 1 W betragen kann. Die LoRaWAN-Zertifizierung in den USA erfordert einen „Hybrid“-Modus mit geringerer Leistung, da LoRaWAN nur über 8 feste Kanäle springt.

Dynamische Sendeleistung und Auswahl des Spreizfaktors

Adaptive Datenrate und Leistung.

Um die orthogonalen Spreizfaktoren (SF) voll auszunutzen (Gateway kann mehrere Übertragungen pro Kanal hören), muss der Knoten die SF mit der kürzesten Sendezeit verwenden.

Da LoRa nur einen Dynamikbereich von 20 dB hat (Fähigkeit, schwache Signale in Gegenwart starker Signale zu hören), müssen Knoten in der Nähe des Gateways mit weniger als der vollen Leistung senden.

Symphony Link-Knoten erreichen dies, indem sie den RSSI des Gateway-Frame-Headers (alle 2 Sekunden) kurz vor der Übertragung messen. Es berechnet dann das Reverse-Link-Budget und passt die Leistungsabgabe und den SF entsprechend an. Es wendet auch eine vom Benutzer einstellbare Verbindungsstrafe an, um sicherzustellen, dass schnelles Fading das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) nicht beeinträchtigt.

Synchrones Uplink-Slotting

Uplink-Slotting-Schema

LoRaWAN ist ein „reines Aloha“-Netzwerk, d. h. Knoten senden wann immer sie wollen, ohne koordiniert zu werden. Diese Netze haben einen maximalen Wirkungsgrad von ca. 16%. Wenn Sie Zeitfenster hinzufügen, können Sie diese Effizienz verdoppeln.

Um Slotting hinzuzufügen, benötigen Sie jedoch eine Art Synchronisierungssignal. In Symphony Link legt der Gateway-Frame-Header das verfügbare Slot-Timing bei jedem Spreizfaktor fest. Dann können Knoten zufällig einen Zeitschlitz auswählen, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass sie einen anderen Knoten stören.

Variable Uplink-/Downlink-Zeitgrenze

Variable Uplink Downlink Time Boundary

Wenn ein LoRaWAN-Gateway sendet, wissen die Knoten in diesem Netzwerk nicht, dass es im Wesentlichen nicht verfügbar ist. In Symphony Link haben wir eine variable Uplink-/Downlink-Grenze hinzugefügt, damit Knoten wissen, wann das Gateway verfügbar ist und wann nicht.

LoRaWAN behebt dieses Problem mit einem zentral gesteuerten Netzwerkserver, der den Downlink-Verkehr zwischen vielen Gateways teilt, aber für Anwendungsfälle ohne das Budget für viele Gateways ist es unwahrscheinlich, dass es hilft.

Komprimierte Bestätigungen

LoRaWAN-Bestätigungen sind eine teure Ressource, da jede Zeit, die mit der Bestätigung einer Nachricht verbracht wird, Zeit ist, in der das Gateway nicht für den Empfang von Uplink-Datenverkehr verfügbar ist.

Symphony Link gruppiert alle Bestätigungen in einer stark komprimierten Nachricht, die alle Knoten empfangen, die im vorherigen Frame gesendet wurden.

Servicequalität

Einfach ausgedrückt ermöglicht QOS bestimmten Knoten, mehr Ressourcen zu verbrauchen als anderen, sodass wichtiger Verkehr gegenüber weniger wichtigem Verkehr priorisiert wird. Auf diese Weise werden in überlasteten Netzwerken die wichtigsten Nachrichten (Alarme usw.) trotzdem durchgestellt.

Höre zu, bevor du sprichst

Schließlich prüfen Symphony Link-Knoten vor der Übertragung, ob der Kanal frei von Nachbarknoten ist. Wenn sie einen anderen Nutzer in diesem Slot entdecken, springen sie sofort zu einem neuen Kanal.