Medium access control for large scale LoRa networks

Abstract

LoRa technology has recently gained popularity, attesting itself as one of the most promising and widely adopted Low Power Wide Area Networks (LPWANs). Highly compatible with Internet of Things (IoT) applications and urban environments, this technology enables large range communications although with low data-rates and duty-cycle restrictions. The work developed in this dissertation targets the medium access in LoRa, focusing on its performance in delivering data, especially in large-scale networks. To do so, it is proposed: (1) a probabilistic packet collision model that estimates the success delivery of two or more LoRa concurrent transmissions, based on an exhaustive evaluation of the packet capture effect; (2) an adaptation of LoRa’s state of the art Medium Access Control (MAC) protocol, LoRaWAN, through the use of control packets; and lastly, (3) a new MAC protocol, denoted as LoRa Mode Adaptive Protocol (LoRa-MAP), that manages to maintain the best possible connection between end-nodes and the gateway by changing LoRa’s physical layer parameters. An analysis on different medium access schemes is conducted, aiming to perceive how different parameters and network layouts influence the information exchange process. The performed evaluations, that consider the results obtained from the real capture effect characterization, showed that the proposed MAC solution increases the LoRa network scalability, deeming it a great candidate for IoT environments.

A tecnologia Long Range (LoRa) tem vindo a ganhar bastante popularidade, tornando-se numa das tecnologias mais promissoras e frequentemente utilizadas entre as Low Power Wide Area Networks (LPWANs). Altamente compatível com aplicações da Internet of Things (IoT), LoRa permite comunicações de longo alcance, ainda que com baixas taxas de transmissão e restrições de duty-cycle. O trabalho desenvolvido ao longo desta dissertação tem como alvo o acesso ao meio em redes LoRa, focando-se especialmente no seu desempenho em termos de entrega de dados em redes de larga escala. Para isto, são propostos: (1) um modelo probabilístico de colisões que estima a probabilidade de sucesso de duas ou mais transmissões simultâneas, com base numa avaliação exaustiva do efeito de captura da tecnologia LoRa; (2) uma adaptação ao protocolo de acesso ao meio LoRaWAN, através da inclusão de pacotes de controlo; e por fim, (3) um novo protocolo de acesso ao meio, denominado LoRa Mode Adaptive Protocol (LoRa-MAP), que permite manter a melhor ligação possível entre os dispositivos e o ponto de acesso ao variar os parâmetros de camada física do LoRa. E realizada uma análise aos diferentes mecanismos de acesso ao meio, de ´ forma a compreender como diferentes parâmetros e disposições de rede influenciam o processo de troca de informação. A avaliação realizada, que considera os resultados obtidos com a caracterização do efeito de captura, mostra que a solução proposta contribui para aumentar a escalabilidade das redes LoRa, tornando-a numa excelente candidata para ambientes IoT.