Lange afstand betrouwbare IoT-netwerken. Wat zijn de kosten om te betalen?

Huidige status van de technologie

De IoT-netwerken die een groot bereik kunnen bieden, staan ​​bekend als LPWAN's: Low Power Wide Area Networks. LPWAN's zijn ster-topologienetwerken die bestaan ​​uit apparaten op batterijen die meestal worden ingezet in zware omgevingen, waar het vervangen van batterijen kostbaar is. Bovendien bestaan ​​de gegevens die door deze apparaten worden verzonden, in een paar pakketten / dag, meestal zonder te worden erkend, als een manier om energie te besparen en om te voldoen aan de 1% duty-cycle beperkingen die door ETSI worden opgelegd in de licentievrije banden.

Met de LoRa-technologie ontwikkeld door Semtech is het momenteel een van de meest gebruikte technologieën voor de industriële IoT-toepassingen. LoRa-netwerken werken met zeer lage gegevenssnelheden, variërend van 0,3 kbps tot 27 kbps, afhankelijk van de gebruikte spreidingsfactor (SF), maar kunnen tot 15 km verzenden (bij gebruik van de kleinste gegevenssnelheid).

De trend is in de richting van enorme connectiviteit

Deze goedkope energie- en duty-cycle beperkte netwerken worden uitgedaagd om een ​​hoge servicekwaliteit te bieden en tegelijkertijd een enorm aantal industriële activa te verbinden.

Wanneer het aantal apparaten in het netwerk toeneemt, neemt het aantal pakketbotsingen toe. Als het netwerk met de snelste gegevenssnelheid werkt (SF7 voor LoRa), verminderen deze botsingen de netwerkprestaties, maar toch leeft het netwerk. Wanneer een groot bereik nodig is, werkt het netwerk met de laagst mogelijke gegevenssnelheid (SF12 voor LoRa). In dit geval wordt het netwerk door een groter aantal apparaten gedood: geen van de verzonden pakketten kan bij de gateway aankomen.

Pakketfragmentatie: een mogelijke oplossing

LPWAN-netwerken zijn op Aloha gebaseerde netwerken, zodat botsingen kunnen optreden
op elk moment tijdens pakketverzending en dus, hoe groter het pakket, hoe groter de kans op botsing tijdens de verzending. Elke botsing veroorzaakt het verlies van het hele pakket. Het fragmenteren van het pakket zal dit verlies verminderen naar de interfererende secties van de botsende pakketten, waardoor sommige van de fragmenten van het pakket niet worden beïnvloed door deze botsing. Dit is te zien in de volgende afbeelding.

Botsingen in Aloha-netwerken: hoeveelheid verloren gegevens bij het verzenden van een pakket ongefragmenteerd en gefragmenteerd in respectievelijk 2.

Het uitvoeren van netwerksimulaties bevestigt de winst in prestaties bij het gebruik van fragmentatie. De prestaties worden gemeten door de netwerk-goodput: het percentage juiste pakketten dat door de gateway is ontvangen in verhouding tot het aantal pakketten dat in het netwerk is verzonden. Resultaten tonen aan dat bij SF12 de netwerk-goodput kan stijgen van 10% tot meer dan 80% door meer dan 25 elk pakket dat in een 5-knooppuntennetwerk wordt verzonden, te fragmenteren. Hoe dichter het netwerk, hoe belangrijker de verkregen voordelen.

Variatie in netwerk-goodput bij het fragmenteren van een pakket van 250 bytes ten opzichte van het geval waarin pakketfragmentatie niet wordt gebruikt, voor 1% duty-cycle beperkte LPWAN-netwerken bestaande uit 5, 10 en 20 sensorknooppunten die werken op SF12.

Pakketfragmentatie: implementatiekosten

Wanneer pakketfragmentatie wordt gebruikt, wordt de payload verdeeld naar het aantal benodigde fragmenten en wordt een extra byte aan kop toegevoegd aan elk fragment. Deze extra header voor elk fragment veroorzaakt de toename van het netwerkenergieverbruik en van de eind-tot-eind vertraging voor het verzenden van de gegevens (vergeleken met het geval waarin geen pakketfragmentatie wordt gebruikt).

Wat een grote invloed heeft op het energieverbruik van de sensorknooppunten, is de gebruikte spreidingsfactor, want hoe hoger de spreidingsfactor, hoe hoger de duur van het pakket en impliciet, het energieverbruik voor het verzenden ervan.

Bij het werken in duty-cycle beperkte netwerken neemt de eind-tot-eind vertraging toe met bijna 120% bij fragmentatie in 50 fragmenten in vergelijking met het geval wanneer geen fragmentatie wordt gebruikt, voor netwerken die op SF7 werken. Voor netwerken die op SF12 werken, is de eind-tot-eind vertragingstoename met het aantal fragmenten veel hoger en bereikt een overhead van 260%, onafhankelijk van het aantal knooppunten in het netwerk. De toename van de vertraging wordt uitsluitend veroorzaakt door de headers die de behoefte aan extra vrije tijd creëren (opgelegd door de beperking van de plicht van 1%).

Wat betreft het optimale aantal te gebruiken fragmenten / pakket, is er een afweging tussen de te verkrijgen goodput-prestaties en de extra kosten in termen van energieverbruik en latentie.