Análise do impacto de técnicas de diversidade na comunicação entre dispositivos LoRa/LoRaWAN

Abstract

Em redes de dispositivos que se comunicam por meio de uma tecnologia sem fio, como LoRa, os sinais que são transmitidos estão sujeitos a efeitos como fading, shadowing e path loss. Devido a isso, é preciso encontrar formas de se melhorar a confiabilidade da comunicação, aumentando a taxa de sucesso de entrega das mensagens. O protocolo LoRaWAN permite a utilização de mensagens de uplink confirmadas, que recebem uma mensagem de downlink atestando o recebimento, porém, esta técnica apresenta limitações quando utilizada em redes densas. Pode-se optar pela utilização de técnicas de diversidade, as quais foram investigadas neste trabalho, apresentando um resultado satisfatório em termos de probabilidade de conexão, ficando em torno de 90% a uma distância de 4 km no ambiente urbano, dentro do contexto de smart cities. Além disso, a diversidade faz com que o impacto dos efeitos citados acima seja reduzido, pois as diferentes versões de uma mesma mensagem experimentam versões não correlacionadas do canal. Os resultados mostraram que tanto a diversidade espacial quanto a temporal melhoraram a comunicação entre os dispositivos LoRa/LoRaWAN utilizados no trabalho, apresentando resultados praticamente iguais ao se utilizar duas antenas ou ao enviar uma mesma mensagem duas vezes. Porém, a diversidade temporal deve ser utilizada de forma controlada, pois pode aumentar a colisão entre pacotes em redes com um grande número de nós. O aumento da diversidade espacial é, por outro lado, sempre benéfica.

In networks where devices communicate with each other through some wireless technology such as LoRa, transmitted signals are subject to effects such as fading, shadowing, and path loss. Because of this, it is necessary to find ways to improve the communication reliability, increasing message delivery. The LoRaWAN protocol allows the use of uplink confirmed messages, which receive a downlink message attesting the reception, but this technique has limitations when used in dense networks. It is possible to opt for the use of diversity techniques, which were investigated in this work, presenting a satisfactory result in terms of connection probability, being around 90% at a distance of 4 km in an urban environment, within the context of smart cities. In addition, the diversity reduced the impact caused by the effects mentioned above, since the different versions of the same message experience uncorrelated versions of the channel. The results showed that both spatial and temporal diversity improved the communication between the LoRa/LoRaWAN devices used in the work, presenting almost the same results when using two antennas or sending the same message twice. However, temporal diversity must be used in a controlled way, as it can increase the collision between packets in networks with a large number of nodes. Increased spatial diversity is, on the other hand, always beneficial.