Performance analysis and optimization of low-power wide-area networks

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Hoeller Junior, Arliones Stevert
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/221336
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021.
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spelling Performance analysis and optimization of low-power wide-area networksEngenharia elétricaSistemas de comunicação sem fioInternet das coisasTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021.As tecnologias de Redes de Baixa Potência e Longo Alcance ? Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) ? capturaram a atenção do mercado da Internet das Coisas ? Internet-of-Things (IoT) ?, o que trouxe à tona a demanda por conhecimento confiável acerca do desempenho destas redes. Neste contexto, o objetivo desta tese é modelar e avaliar o desempenho de LPWANs em cenários realísticos para explorar potenciais melhorias de desempenho. Os desenvolvimentos apresentados aqui focam em Long-Range WAN (LoRaWAN), uma tecnologia líder em LPWAN. Além de modelar o canal LoRaWAN com desvanecimento, os modelos propostos se valem da Geometria Estocástica para modelar interferência tanto interna, quanto externa. Inicialmente são propostos modelos a partir dos quais são obtidas expressões fechadas do comportamento da LoRaWAN. Estes modelos são utilizados para explorar diversidade temporal e espacial para aumentar a taxa de entrega de pacotes nestas redes. Os resultados obtidos mostram que o emprego de replicação de mensages para ativar a diversidade temporal é benéfica para redes com baixa densidade, e que existe um número ótimo de cópias para uso em cada Spreading Factor (SF). Também conclui-se que o emprego de múltiplas antenas de recepção omni-direcionais no gateway aumenta significativamente a taxa de sucesso de entrega de pacotes, independentemente da densidade da rede. Além disso, os modelos propostos são utilizados para otimizar os parâmetros da rede ao considerar interferência interna e entre tecnologias. Os modelos são extendidos para considerar a interferência que LoRaWAN recebe de redes IEEE 802.15.4g, que formam as camadas inferiores de sistemas Wireless Smart Utility Network (Wi-SUN). Também são derivadas equações fechadas para a disponibilidade esperada de redes LoRaWAN nestes cenários. A avaliação realizada parametriza os modelos com dados obtidos em medições da interação entre as tecnologias. Também são propostos dois algoritmos para determinar as melhores configurações LoRaWAN nestes cenários para atender a um nível mínimo de confiabilidade da rede. Os algoritmos maximizam alcance de comunicação ou número de usuários a partir de restrições de número mínimo de usuários, alcance mínimo, e confiabilidade mínima. Os métodos propostos se mostram ferramentas úteis ao planejamento de redes limitadas por interferência com requisitos de confiabilidade. Finalmente, é considerado o desempenho de LoRaWAN quando o mecanismo Adaptive Data Rate (ADR) é ativado. Este mecanismo ajusta dinamicamente o SF e a potência de transmissão dos nós da rede com base no estado do canal. Uma extensão do modelo desta tese é proposto para considerar o desempenho de redes LoRaWAN com ADR em regime, ou seja, após a convergência das configurações de SF e potência. Este modelo produz expressões fechadas do desempenho das redes que são utilizadas em procedimentos de otimização que maximizam o número de usuários em uma rede sob restrições de confiabilidade. Os resultados mostram que a alocação de potência reduz a interferência no gateway e aumenta a capacidade da rede, reduzindo o consumo médio de energia. Todos os modelos e algoritmos propostos nesta tese são validados através de análise numérica e simulações.Abstract: Low-Power Wide-Area (LPWAN) technologies have caught the IoT market?s attention, which has brought the need for reliable knowledge about such networks? performance. Within this context, the goal of this thesis is to model and analyze the performance of LPWANs in realistic set-ups to exploit potential performance enhancements. We focus our developments on LoRaWAN, a leading LPWAN technology. Besides modeling the LoRaWAN fading channel, our models also rely on Stochastic Geometry to model internal and external interference. We model and obtain closed-form expressions of the behavior of LoRaWAN, exploiting time and spatial signal diversity to enhance the delivery rate. We show that the use of message replication to enable time diversity is bene?cial for low-density networks and that there is an optimum number of message copies to be used by each SF. We also show that the use of multiple, omnidirectional receive antennas at the gateway signi?cantly enhances the rate of successful packet delivery, regardless of network density. Besides that, we build over our network model to optimize network parameters while accounting for inter-technology interference. Our analytic model accounts for the interference LoRaWAN receives from IEEE 802.15.4g networks, which forms the bottom layers of Wi-SUN systems. We derive closed-form equations for the expected reliability of LoRaWAN in such scenarios. We set the model parameters with data from real measurements of the technologies? interplay and propose two optimization algorithms to determine the best LoRaWAN con?gurations, given a targeted minimum reliability level. The algorithms maximize either communication range or the number of users given constraints on the minimum number of users, minimum communication range, and minimum reliability. The proposed methods are useful tools for planning interference-limited networks with requirements of minimum reliability. Finally, we consider the performance modeling of LoRaWAN using the ADR mechanism, which dynamically adjusts SF and transmit power of nodes based on channel state. We do that by extending our analytical LoRaWAN model to consider the performance of steady-state ADR-enabled LoRaWAN. We derive outage expressions and an optimization procedure to maximize the number of users under reliability constraints. Results show that power allocation reduces interference and improves network capacity while reducing average power. We validate all models and algorithms through numerical analysis and simulations.Souza, Richard DemoAlves, HirleyUniversidade Federal de Santa CatarinaHoeller Junior, Arliones Stevert2021-03-22T13:56:03Z2021-03-22T13:56:03Z2021info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis92 p.| il., gráfs.application/pdf371269https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/221336engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-03-22T13:56:03Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/221336Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732021-03-22T13:56:03Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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