Otimização de gerenciamento de recursos de rádio em redes LoRa

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Sallum, Eduardo El Akkari
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Ponta Grossa
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5407
Resumo: Low Power Wide Area Networks (LPWAN) enable a growing number of Internet-of-Things (IoT) applications with large geographical coverage, low bit-rate, and long lifetime requirements. LoRa (Long Range) is a well-known LPWAN technology that uses a proprietary Chirp Spread Spectrum (CSS) physical layer, while the upper layers are defined by an open standard - LoRaWAN. In this work, we propose a simple yet effective method to improve the Qualityof-Service (QoS) of LoRaWAN networks by fine-tuning specific radio parameters. Through a Mixed Integer Linear Programming (MILP) problem formulation, we find optimal settings for the Spreading Factor (SF) and Carrier Frequency (CF) radio parameters, considering the network traffic specifications as a whole, to improve the Data Extraction Rate (DER) and to reduce the packet collision rate and the energy consumption in LoRa networks. The effectiveness of the optimization procedure is demonstrated by simulations, using LoRaSim for different network scales. About the traditional LoRa radio parameter assignment policies, our solution leads to an average increase of 6% in DER, and a number of collisions 13 times smaller. In comparison to networks with dynamic radio parameter assignment policies, there is an increase of 5%, 2.8%, and 2% of DER, and a number of collisions 11, 7.8 and 2.5 times smaller than equal-distribution, Tiurlikova’s (SOTA), and random distribution, respectively. Regarding the network energy consumption metric, the proposed optimization obtained an average consumption similar to Tiurlikova’s, and 2.8 times lower than the equal-distribution and random dynamic allocation policies. Furthermore, we approach the practical aspects of how to implement and integrate the optimization mechanism proposed in LoRa, guaranteeing backward compatibility with the standard protocol.
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Through a Mixed Integer Linear Programming (MILP) problem formulation, we find optimal settings for the Spreading Factor (SF) and Carrier Frequency (CF) radio parameters, considering the network traffic specifications as a whole, to improve the Data Extraction Rate (DER) and to reduce the packet collision rate and the energy consumption in LoRa networks. The effectiveness of the optimization procedure is demonstrated by simulations, using LoRaSim for different network scales. About the traditional LoRa radio parameter assignment policies, our solution leads to an average increase of 6% in DER, and a number of collisions 13 times smaller. In comparison to networks with dynamic radio parameter assignment policies, there is an increase of 5%, 2.8%, and 2% of DER, and a number of collisions 11, 7.8 and 2.5 times smaller than equal-distribution, Tiurlikova’s (SOTA), and random distribution, respectively. Regarding the network energy consumption metric, the proposed optimization obtained an average consumption similar to Tiurlikova’s, and 2.8 times lower than the equal-distribution and random dynamic allocation policies. Furthermore, we approach the practical aspects of how to implement and integrate the optimization mechanism proposed in LoRa, guaranteeing backward compatibility with the standard protocol.As redes de longa distância e baixa potência (LPWAN) permitem um número crescente de aplicativos de Internet das Coisas (IoT) com grande cobertura geográfica, baixa taxa de bits e requisitos de longa vida útil. LoRa (Long Range) é uma tecnologia LPWAN que utiliza a camada física proprietária Chirp Spread Spectrum (CSS), enquanto as camadas superiores são definidas por um padrão aberto - LoRaWAN. Nesta dissertação, propomos um método simples, porém eficaz, para melhorar a Qualidade-de-Serviço (QoS) das redes LoRaWAN ajustando parâmetros de rádio específicos. Através da formulação de um problema Programação Linear Inteira Mista (MILP), encontramos as configurações ideais para os parâmetros de rádio Spreading Factor (SF) e Carrier Frequency (CF), considerando as especificações de tráfego da rede como um todo, para aumentar o Data Extraction Rate (DER), reduzir a taxa de colisão de pacotes e o Consumo de Energia de Rede LoRa. A eficácia do procedimento de otimização é demonstrada por simulações, usando o simulador LoRaSim para diferentes escalas de rede. Em relação às políticas tradicionais de atribuição de parâmetros de rádio LoRa, nossa solução obteve a um aumento médio de 6% no DER e uma taxa de colisões de pacotes 13 vezes menor. Em comparação com redes com políticas de atribuição dinâmica de parâmetros de rádio, há um aumento de 5%, 2,8% e 2% de DER e um número de colisões 11, 7,8 e 2,5 vezes menor que distribuição igualitária, Tiurlikova e aleatória, respectivamente. Em relação à métrica Consumo de Energia da Rede, a otimização proposta obteve um consumo médio semelhante ao Tiurlikova’s e 2,8 vezes menor que as políticas de alocação dinâmica distribuição igualitária e aleatória. Além disso, abordamos os aspectos práticos de como implementar e integrar o mecanismo de otimização proposto no LoRa, garantindo retrocompatibilidade com o protocolo padrão.Universidade Tecnológica Federal do ParanáPonta GrossaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Ciência da ComputaçãoUTFPRSantos, Max Mauro Diashttps://orcid.org/0000-0001-7877-3554http://lattes.cnpq.br/6212006974231025Pereira, Nuno Alexandre Magalhãeshttps://orcid.org/0000-0003-0630-9634Silva Filho, Abel Guilhermino dahttps://orcid.org/0000-0002-7876-2756http://lattes.cnpq.br/8983932189780223Foronda, Augustohttps://orcid.org/0000-0003-2253-2924http://lattes.cnpq.br/7103296555987124Pacheco, Mauricio Zadrahttps://orcid.org/0000-0002-7188-4400http://lattes.cnpq.br/6951148118690656Santos, Max Mauro Diashttps://orcid.org/0000-0001-7877-3554http://lattes.cnpq.br/6212006974231025Leme, Murilo Oliveirahttps://orcid.org/0000-0001-7007-2083http://lattes.cnpq.br/8855126358190571Sallum, Eduardo El Akkari2020-11-02T17:25:14Z2020-11-02T17:25:14Z2020-06-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSALLUM, Eduardo El Akkari. Otimização de gerenciamento de recursos de rádio em redes LoRa. 2020. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2020.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5407enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2020-11-03T06:01:21Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/5407Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2020-11-03T06:01:21Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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