Laagvermogen Langeafstandscommunicatie: Systeem Analyse en Optimizatie

Met de introductie van LoRa begon een race om het ultieme laagvermogen langeafstandsnetwerk te worden. Concurrenten, zoals Sigfox, Weightless, 3GPP en Ingenu, stelden nieuwe technologieën voor om dit smalle marktsegment zo snel mogelijk te veroveren. Welke technologie moet je kiezen? Welke presteert het beste? Een breed scala aan variëteiten om uit te kiezen en nog meer marketinginspanningen om klanten te verwarren.

Dit werk probeert een antwoord te bieden op de vraag wat een goed laagvermogen langeafstandsnetwerk is, aan welke criteria dit netwerk moet voldoen en hoe deze netwerken kunnen verbeterd worden. Meer specifiek ligt de focus in dit werk op LoRaWAN, Sigfox en Weightless, die allemaal bikkelen voor spectrum onder 1 GHz.

In dit werk presenteer ik mijn zes belangrijkste bijdragen. De eerste bijdrage is een beter inzicht in het speelveld van langeafstandscommunicatie. Er zijn veel verschillende langeafstandsnetwerken voorgesteld. De interne werking van deze voorstellen is van cruciaal belang om hun prestaties in verschillende scenario's te beoordelen. Deze analyse op hoog niveau stelde ons in staat om het probleem van het langeafstandscommunicatie te beperken en om kansen te zien in dit type netwerk.

LoRaWAN wordt geselecteerd als een ideale kandidaat om communicatie op lange afstand te bestuderen dankzij haar spread spectrumtechniek en de open-source aard van het datalink protocol. Dit protocol wordt in detail bestudeerd en ontleed om zo gedetailleerd mogelijk in de netwerksimulator ns-3 te programmeren. Deze uitvoering maakt verdere en meer gedetailleerde studies over en met dit protocol mogelijk. Deze studie en uitvoering zijn mijn tweede bijdrage.

Met de realistische netwerksimulator heb ik verschillende experimenten uitgevoerd om de werkelijke prestatielimieten van LoRaWAN te beoordelen. Deze tests omvatten netwerkdichtheid, meerdere gateways, bevestigingen en interferentie. Deze tests, mijn derde en vierde bijdrage, tonen aan dat LoRaWAN gevoelig is voor interferentie en andere langeafstandsnetwerken en dat schaalbaarheid moeilijk is.

Mijn vijfde bijdrage is de optimalisatie van de verdeling van de orthogonale codes in deze LoRaWAN-cellen. Een analytische afleiding toonde een theoretische codeverdeling die de pakketfoutkans verbeterde met 50%. Deze analytische afleiding nam echter de interferentie niet in rekening. Deze aanname is daarom gecontroleerd en inderdaad, het kanaal is niet erg bezet. De dynamiek van interferentie in de banden onder 1 GHz moet echter wel in aanmerking worden genomen. Met de kennis van deze meting, stel ik een automatisch geleerde aanpak voor om dynamisch de verschillende codes toe te wijzen. Deze aanpak is gebaseerd op multi-armed bandits.

Beide voorstellen zijn echter beperkt in mobiliteit en downlink-berichten. Daarvoor introduceer ik mijn zesde bijdrage: een nieuw protocol voor toegang tot het draadloze medium. Het protocol richt zich op maximale schaalbaarheid zonder direct de orthogonale codes in LoRa te versturen terwijl het nog wel achterwaarts compatibel is.

In dit werk laat ik zien dat het verwachten van een hoge betrouwbaarheid van langeafstandsnetwerken met een laag vermogen onmogelijk is vanwege de dynamiek van het systeem, de willekeurige toegang tot het kanaal en de beperkte tijd in de lucht voor gateways. Het connecteren van miljoenen apparaten lijkt daarom uiterst uitdagend.