LoRaWAN 확장성 개선

최근에 발표된 논문 "LoRa 저전력 광역 네트워크는 규모를 확장합니까?" 영국 Lancaster University의 Martin Bor 및 Utz Roedig 저, LoRaWAN ^TM 의 확장성 문제 제기 네트워크.

그들의 결론은 "문서에 제시된 우리 연구에 따르면 LoRaWAN을 기반으로 하는 현재 설치는 [확장]되지 않습니다. (섹션 6)” 백서는 각 노드가 16.7분마다 20바이트를 전송한다고 가정할 때 단일 LoRaWAN 게이트웨이를 사용하여 약 120개의 노드를 안전하게 배포할 수 있다고 추정합니다. 연결된 많은 응용 프로그램은 이 밀도가 너무 제한적이라는 것을 알게 될 것입니다.

Symphony Link ^TM 의 핵심 기능 중 하나 Link Labs LoRa 프로토콜은 특히 다중 게이트웨이가 없는 네트워크의 경우 처리량과 안정성을 극적으로 향상시키는 동적 매개변수 선택 알고리즘입니다.

LoRaWAN의 확장성 문제는 5가지 요인의 결과입니다.

<올>

모든 게이트웨이와 노드는 모든 전송에 대해 동일한 채널을 사용합니다.

방송 시간이 상당히 길 수 있습니다. (최대 2초)

모든 업링크 전송이 조정되지 않음(순수 알로하)

모든 게이트웨이 전송(승인 및 다운링크 트래픽)은 전송을 시도하는 노드에 알려지지 않은 채 게이트웨이를 "오프 에어"로 가져옵니다.

SX1301 기반 LoRa 게이트웨이에는 동시 트래픽을 처리하기 위해 8개의 수신기 모뎀만 있습니다.

LoRa 동맹 (Link Labs는 회원임) 이전 버전과의 호환성을 유지한다는 명시된 목표 때문에 이러한 제한 사항을 적절하게 해결하는 것이 어렵다는 것을 알게 될 것입니다. 조정되지 않은 레거시 노드를 동시에 허용해야 하는 네트워크에 구성 기능을 추가하는 것은 어렵습니다.

Symphony Link는 6가지 방식으로 확장성을 개선합니다.

<올>

주파수 블록 호핑

동적 전송 전력 및 확산 계수 선택

동기 업링크 슬로팅

가변 업링크/다운링크 시간 경계

압축된 승인

서비스 품질

말하기 전에 듣기

주파수 차단 호핑

Symphony Link에서 각 노드는 한 번에 하나의 게이트웨이와 쌍을 이룹니다. 이 게이트웨이는 현재 프레임의 노드에서 사용할 수 있는 업링크 주파수를 알립니다. 이를 통해 게이트웨이는 다른 게이트웨이/네트워크와의 업링크 충돌을 최소화하면서 업링크 트래픽에 대해 전체 ISM 스펙트럼을 의사 무작위로 사용할 수 있습니다.

또한 게이트웨이가 대역의 특정 부분에서 간섭을 감지하면 해당 스펙트럼에 업링크 채널을 배치하지 않습니다.

블록 도약을 사용하여 수백 개의 업링크 채널을 생성함으로써 Symphony Link 노드는 FHSS(파트 15)를 완전히 준수하므로 필요한 경우 전송 전력이 1W가 될 수 있습니다. 미국의 LoRaWAN 인증에는 LoRaWAN이 8개의 고정 채널만 건너뛰기 때문에 저전력 "하이브리드" 모드가 필요합니다.

동적 전송 전력 및 확산 계수 선택

적응 데이터 속도 및 전력.

직교 확산 ​​계수(SF)를 최대한 활용하려면(게이트웨이는 채널당 여러 전송을 들을 수 있음), 노드는 방송 시간이 가장 짧은 SF를 사용해야 합니다.

또한 LoRa는 20dB의 동적 범위(강한 신호가 있을 때 약한 신호를 들을 수 있는 능력)를 가지므로 게이트웨이에 가까운 노드는 최대 전력 미만으로 전송해야 합니다.

Symphony Link 노드는 전송 직전에 게이트웨이 프레임 헤더의 RSSI(2초마다)를 측정하여 이를 수행합니다. 그런 다음 역방향 링크 예산을 계산하고 일치하도록 전력 출력과 SF를 조정합니다. 또한 빠른 페이딩이 신호 대 잡음(SNR) 비율에 영향을 미치지 않도록 사용자 설정 가능한 링크 패널티를 적용합니다.

동기 업링크 슬로팅

업링크 슬로팅

LoRaWAN은 "순수한 알로하" 네트워크입니다. 즉, 노드가 조정되지 않고 원할 때마다 전송합니다. 이러한 네트워크의 최대 효율은 약 16%입니다. 시간 슬롯을 추가하면 이 효율성을 두 배로 늘릴 수 있습니다.

그러나 슬로팅을 추가하려면 일종의 동기화 신호가 필요합니다. Symphony Link에서 게이트웨이 프레임 헤더는 각 확산 요소에서 사용 가능한 슬롯 타이밍을 설정합니다. 그런 다음 노드는 다른 노드와 간섭할 가능성을 최소화하기 위해 무작위로 타임슬롯을 선택할 수 있습니다.

가변 업링크/다운링크 시간 경계

가변 상향링크 하향링크 시간

LoRaWAN 게이트웨이가 전송할 때 해당 네트워크의 노드는 본질적으로 사용할 수 없다는 것을 알지 못합니다. Symphony Link에서는 노드가 게이트웨이를 사용할 수 있을 때와 사용할 수 없을 때를 알 수 있도록 가변 업링크/다운링크 경계를 추가했습니다.

LoRaWAN은 여러 게이트웨이 간에 다운링크 트래픽을 공유하는 중앙 제어 네트워크 서버를 통해 이 문제를 해결하지만 많은 게이트웨이에 대한 예산이 없는 사용 사례에서는 도움이 되지 않을 것입니다.

압축된 승인

LoRaWAN 확인은 메시지 확인에 소요된 시간이 게이트웨이가 업링크 트래픽을 수신할 수 없는 시간이기 때문에 값비싼 리소스입니다.

Symphony Link는 모든 승인을 이전 프레임에서 전송된 모든 노드가 수신하는 하나의 고도로 압축된 메시지로 그룹화합니다.

서비스 품질

간단히 말해서, QOS는 특정 노드가 다른 노드보다 더 많은 리소스를 사용하도록 허용하므로 중요한 트래픽이 덜 중요한 트래픽보다 우선시됩니다. 이렇게 하면 혼잡한 네트워크에서 가장 중요한 메시지(알람 등)가 계속 전달됩니다.

말하기 전에 듣기

마지막으로 Symphony Link 노드는 전송하기 전에 채널에 인접 노드가 없는지 확인합니다. 해당 슬롯에서 다른 사용자를 감지하면 즉시 새 채널로 이동합니다.