Avaliação do desempenho do algoritmo adaptativo de taxa de dados de redes LoRaWAN com flexibilização da margem do enlace

Abstract

LoRaWAN é um protocolo de rede que permite a implementação de aplicações de redes de longo alcance e baixa potência para a Internet das Coisas. Seu esquema de modulação, LoRa, utiliza diversos parâmetros de transmissão que permitem comunicação bidirecional por longas distâncias, em uma relação de troca entre alcance e tempo de transmissão. As especificações de LoRaWAN sugerem o uso de um algoritmo adaptativo, o Adaptive Data Rate (ADR), para atribuir estes parâmetros dinamicamente aos seus usuários. O ADR usado por uma rede LoRaWAN aberta mundial, a The Things Network, seleciona os parâmetros para comunicação sem desconexão, diminuindo o tempo de transmissão e consumo energético. No entanto, a suas estimativas frequentemente otimistas resultam na seleção de parâmetros inadequados, especialmente quando os sinais são transmitidos em canais com muitas perdas. Estimativas de canal mais precisas poderiam melhorar a alocação de parâmetros, ao custo do aumento da complexidade do algoritmo. Através de simulações, mostrou-se que o parâmetro de margem de enlace do ADR pode ser selecionado para compensar essa estimativa falha sem adicionar complexidade ao algoritmo, garantindo a qualidade do serviço e ainda um consumo energético menor comparado a uma distribuição aleatória de parâmetros. Neste trabalho, uma modificação ao ADR é proposta, de forma que a seleção da margem de enlace seja feita em tempo de execução, sem necessidade de conhecimento prévio das configurações da rede e sem aumentar a complexidade nas computações feitas no servidor de rede.

LoRaWAN is a network protocol to support the deployment of Low-Power Wide-Area Network applications for the Internet of Things. Its modulation scheme, LoRa, uses different transmission parameters to allow long-range bidirectional communication by trading-off range for time-on-air (ToA). The LoRaWAN specification suggests using an Adaptive Data Rate (ADR) algorithm to assign transmission parameters to nodes dynamically. The ADR algorithm used by The Things Network, a global open network, selects transmission parameters for communication without disconnection while lowering ToA and energy consumption. However, its often optimistic link quality estimate drives the assignment of inadequate parameters, especially in lossy channels. More precise channel quality estimates would improve resource allocation at the cost of increased complexity at the network server. Through simulations, it is shown that the ADR link margin parameter can be used to compensate for inaccurate link quality estimates without increasing complexity, providing better service to nodes and maintaining low levels of energy consumption compared to a random parameter assignment. In this work, a modification to ADR that allows the selection of the link margin at run-time is proposed, increasing the network performance without the need of any prior knowledge and with no increase in the network server computational complexity.