Contributions to the evaluation and improvement of LoRaWAN

Abstract

(English) Low Power Wide Area Network (LPWAN) technologies have gained significant momentum as wireless solutions for implementing Internet of Things (IoT) applications and services. The unique set of LPWAN features, such as long range, low power consumption, and low infrastructure cost, along with challenging message sizes and message rates, has attracted the attention of the industry, academia and standard development organizations. Within the LPWAN family, LoRaWAN has become a very popular technology. After the publication of the LoRaWAN specification and the availability of certified hardware, many researchers have devoted their efforts to investigate the performance of this technology. Since the IoT is expected to include a very large number of devices (such as sensors and actuators), and LoRaWAN is expected to support up to hundreds of thousands of IoT devices per radio gateway, the energy efficiency, performance and scalability of LoRaWAN are hot research areas. This PhD thesis focuses its research on a set of crucial topics around the aforementioned areas. Many LoRaWAN devices, such as sensors or actuators, will typically run on battery power. Therefore, it is crucial to investigate the power consumption characteristics of LoRaWAN. However, published works only focus on this topic to a limited extent, providing only rough estimates of parameters related to LoRaWAN energy performance, without considering the realistic behavior of the LoRaWAN device hardware, as well as the impact of the main LoRaWAN parameters and mechanism settings. Therefore, one of the objectives of this PhD thesis is to propose an analytical model that characterizes device current consumption, lifetime and energy cost of data delivery. On the other hand, the study of the behavior of confirmed data transmission and the evolution of the Spreading Factor (SF) parameter due to the rules defined in the LoRaWAN specification in case of retransmissions is also in our interest. Through simulations, we study the behavior of LoRaWAN under controlled conditions, for different load conditions or different active LoRaWAN functionalities (e.g. confirmed versus unconfirmed data transmission). Starting with the FLoRa simulator, based on OMNeT++, we improved and completed this simulator to include the unimplemented functionalities and correct some behaviors that did not conform to the LoRaWAN specification. In a preliminary analysis, we realize that SF tends to downgrade to SF12, corresponding to the lowest data rate and the longest data transmission time, which leads to poor network performance, although it could be, in some conditions, more reliable. We have called this phenomenon the "SF12 well". In this context, we have considered alternative mechanisms to update the SF parameter in the case of data retransmissions, which allows to improve the transmission in the uplink channel. As the third objective of the present PhD thesis, we focus on the impact of the packet size on the energy efficiency in LoRaWAN. Furthermore, to understand the observed behavior, we also consider the impact of packet size on other performance parameters. Existing studies on LoRaWAN energy efficiency evaluation, including those that consider packet size as a parameter, present significant limitations. We also carry out our study by means of the simulator we developed to address the above objective, with additional modifications to compute energy consumption in a more detailed process. In this work we also apply the realistic energy model obtained in the first proposed objective. As a complementary work, we also evaluate the influence of duty cycle constraints on the overall performance of LoRaWAN and specifically on the energy performance.

(Català) Les tecnologies de xarxa d'àrea extensa de baixa potència (LPWAN) han guanyat un impuls significatiu com a solucions sense fil per implementar aplicacions i serveis d'Internet de les coses (IoT). El conjunt de característiques únic de LPWAN, com ara llarg abast, baix consum d'energia i baix cost de la infraestructura, juntament amb els desafinaments que representen la mida dels missatges i les taxes de missatges, ha acaparat l'atenció de la indústria, el món acadèmic i les organitzacions de esenvolupament d’estàndards. Dins de la família LPWAN, LoRaWAN s'ha convertit en una tecnologia molt popular. Amb la publicació de l'especificació LoRaWAN i la disponibilitat de maquinari certificat, molts investigadors han dedicat els seus esforços a estudiar el rendiment d'aquesta tecnologia. Atès que es preveu que la IoT inclogui un nombre molt elevat de dispositius (com sensors i actuadors), i que s'espera que LoRaWAN admeti fins a centenars de milers de dispositius IoT per passarel·la ràdio, l'eficiència energètica, el rendiment i l'escalabilitat de LoRaWAN són àrees 'investigació candents. Aquesta tesi doctoral centre les seves investigacions en un conjunt de temes crucials al voltant d’aquestes àrees. Molts dispositius LoRaWAN, normalment, funcionen en base a una bateria. Per tant, és de vital importància investigar les característiques del consum d'energia de LoRaWAN. Tanmateix, els treballs publicats només fan estudis limitats, proporcionant només estimacions aproximades dels paràmetres relacionats amb el rendiment energètic, sense tenir en compte el comportament realista del aquinari dels dispositius LoRaWAN, o l'impacte dels principals paràmetres de LoRaWAN i la configuració del mecanisme. Per tant, un objectiu del present treball és proposar un model analític que caracteritzi el consum real dels dispositius, la seva vida útil i el cost energètic del lliurament de dades. D'altra banda, també abordem l'estudi del comportament de la transmissió de dades amb confirmació i l'evolució del paràmetre Spreading Factor (SF) segons les regles definides a l'especificació LoRaWAN en cas de retransmissió. Mitjançant simulacions, hem estudiat el comportament de LoRaWAN en condicions controlades de càrrega o de funcionalitats actives de LoRaWAN (p. e., transmissió de dades confirmada versus no confirmada). Prenent com a base el simulador FLoRa, basat en OMNeT++, hem millorat i completat aquest simulador per incloure les funcionalitats no mplementades, i corregir alguns comportaments que no s'ajustaven a l'especificació de LoRaWAN. L'anàlisi dels resultats preliminars ens indica que SF tendeix a canviar cap a SF12, que correspon a la velocitat de dades més baixa i al major temps de transmissió de dades, la qual cosa comporta un baix rendiment de la xarxa, encara que podria ser, en algunes condicions, més fiable. A aquest fenomen l'hem anomenat "pou SF12". En aquest context, hem considerat mecanismes alternatius a l'hora d’actualitzar el paràmetre SF en el cas de retransmissions de dades, que permet millorar la transmissió en el canal de l'enllaç ascendent. El tercer objectiu d'aquesta tesi és estudiar l'impacte de la mida del paquet en l'eficiència energètica de LoRaWAN. A més a més, per entendre el comportament observat, també considerem l'impacte de la mida del paquet en altres paràmetres de rendiment. Els estudis existents sobre l'avaluació de l'eficiència energètica de LoRaWAN, inclosos els que consideren la mida del paquet com a paràmetre, presenten limitacions significatives. El nostre estudi també el realitzem mitjançant el simulador que hem desenvolupat per abordar l'objectiu anterior, amb modificacions addicionals per tal de calcular el consum d'energia d'una manera més detallat. En aquest treball també apliquem el model energètic realista obtingut en el primer objectiu plantejat, i avaluem la influència de les restriccions del cicle de treball en el rendiment general de LoRaWAN i en el rendiment energètic, en particular.