LoRaWANのスケーラビリティの向上

最近発表された論文「LoRa低電力ワイドエリアネットワークは拡張可能ですか？」英国ランカスター大学のMartinBorとUtzRoedigが、LoRaWAN ^TM のスケーラビリティの問題を提起しています。 ネットワーク。

彼らの結論は、「論文で提示された私たちの調査によると、LoRaWANに基づく現在のインストールは[スケール]しません。 （セクション6）」このホワイトペーパーでは、各ノードが16.7分ごとに20バイトを送信すると仮定すると、単一のLoRaWANゲートウェイを使用して約120のノードを安全に展開できると見積もっています。接続されている多くのアプリケーションでは、この密度が制限されすぎていることに気付くでしょう。

Symphony Link ^TM のコア機能の1つ 、Link Labs LoRaプロトコルは、特に複数のゲートウェイがないネットワークの場合、スループットと信頼性を劇的に向上させる動的パラメーター選択アルゴリズムです。

スケーラビリティに関するLoRaWANの問題は、次の5つの要因の結果です。

1. すべてのゲートウェイとノードは、すべての送信に同じチャネルを使用します。
2. 放送時間はかなり長くなる可能性があります。 （最大2秒）
3. すべてのアップリンク送信は調整されていません（Pure Aloha）
4. すべてのゲートウェイ送信（確認応答とダウンリンクトラフィック）は、送信しようとしているノードには知られていない、ゲートウェイを「オフエア」にします。
5. SX1301ベースのLoRaゲートウェイには、同時トラフィックを処理するためのレシーバーモデムが8つしかありません。

LoRaアライアンス （Link Labsはメンバーです）下位互換性を維持するという目標が定められているため、これらの制限に適切に対処することは困難です。従来の調整されていないノードを同時に許容する必要があるネットワークに組織化機能を追加することは困難です。

Symphony Linkは、次の6つの方法でスケーラビリティを向上させます。

1. 周波数ブロックホッピング
2. 動的送信電力と拡散係数の選択
3. 同期アップリンクスロット
4. 可変アップリンク/ダウンリンクの時間境界
5. 圧縮された確認応答
6. サービス品質
7. 話をする前に聞いてください

周波数ブロックホッピング

Symphony Linkでは、各ノードは一度に1つのゲートウェイとペアになります。このゲートウェイは、現在のフレームのノードで使用可能なアップリンク周波数をアドバタイズします。これにより、ゲートウェイは、他のゲートウェイ/ネットワークとのアップリンクの衝突を最小限に抑えながら、アップリンクトラフィックにISMスペクトル全体を疑似ランダムに使用できます。

さらに、ゲートウェイが帯域の特定の部分で干渉を検出した場合、そのスペクトルにアップリンクチャネルを配置しません。

ブロックホッピングを使用して数百のアップリンクチャネルを作成することにより、Symphony LinkノードはFHSS（パート15）に完全に準拠します。つまり、必要に応じて送信電力を1Wにすることができます。 LoRaWANは8つの固定チャネルのみをホップするため、米国でのLoRaWAN認定には低電力の「ハイブリッド」モードが必要です。

動的送信電力と拡散係数の選択

適応データレートと電力。

直交拡散係数（SF）を最大限に活用するには（ゲートウェイはチャネルごとに複数の送信を聞くことができます）、ノードは最短の放送時間でSFを使用する必要があります。

さらに、LoRaのダイナミックレンジはわずか20 dB（強い信号が存在する場合に弱い信号を聞く能力）であるため、ゲートウェイに近いノードはフルパワー未満で送信する必要があります。

Symphony Linkノードは、送信直前にゲートウェイフレームヘッダーのRSSIを（2秒ごとに）測定することでこれを実現します。次に、リバースリンクバジェットを計算し、それに合わせて電力出力とSFを調整します。また、ユーザーが設定可能なリンクペナルティを適用して、高速フェージングが信号対雑音（SNR）比に影響を与えないようにします。

同期アップリンクスロット

アップリンクスロットスキーム

LoRaWANは「純粋なアロハ」ネットワークです。つまり、ノードは調整されることなく、必要なときにいつでも送信できます。これらのネットワークの最大効率は約16％です。タイムスロットを追加すると、この効率を2倍にすることができます。

ただし、スロットを追加するには、何らかの同期信号が必要です。 Symphony Linkでは、ゲートウェイフレームヘッダーが各拡散係数で使用可能なスロットタイミングを設定します。次に、ノードはタイムスロットをランダムに選択して、別のノードに干渉する可能性を最小限に抑えることができます。

可変アップリンク/ダウンリンクの時間境界

可変アップリンクダウンリンク時間境界

LoRaWANゲートウェイが送信するとき、そのネットワーク内のノードは、それが本質的に利用できないことを知りません。 Symphony Linkでは、可変のアップリンク/ダウンリンク境界を追加して、ノードがゲートウェイが使用可能である場合と使用できない場合を認識できるようにしました。

LoRaWANは、多くのゲートウェイ間でダウンリンクトラフィックを共有する集中管理されたネットワークサーバーでこの問題に対処しますが、多くのゲートウェイの予算がないユースケースでは、役に立たない可能性があります。

圧縮された確認応答

メッセージの確認に費やされる時間は、ゲートウェイがアップリンクトラフィックを受信できない時間であるため、LoRaWAN確認応答は高価なリソースです。

Symphony Linkは、すべての確認応答を1つの高度に圧縮されたメッセージにグループ化し、前のフレームで送信したすべてのノードが受信します。

サービス品質

簡単に言うと、QOSを使用すると、特定のノードが他のノードよりも多くのリソースを使用できるため、重要なトラフィックが重要度​​の低いトラフィックよりも優先されます。このように、最も重要なメッセージ（アラームなど）が混雑しているネットワークでは、引き続き通過します。

話をする前に聞く

最後に、Symphony Linkノードは、送信する前に、チャネルに隣接ノードがないことを確認します。そのスロットで別のユーザーを検出した場合は、すぐに新しいチャネルに移動します。