Medium access control in LoRa networks with multiple low-cost gateways

Abstract

With the emergence of Low Power Wide Area Network (LPWAN) technologies, as support to Internet of Things (IoT) applications, Long-Range (LoRa) popularity emerged, being actually one of the most up-and-coming LPWAN technologies, despite the low-rate transmissions and duty-cycle restrictions. Such recognition is due to LoRa's suitable characteristics for large-scale IoT networks, which span from long-range communications, guaranteed by its proprietary modulation scheme, to low power consumption, a fundamental feature for IoT sensor networks. The focus of this dissertation is the study of medium access control strategies in large-scale single-channel LoRa networks with multiple gateways with respect to the amount of delivered useful information and network access fairness. Firstly, it is proposed and analysed a medium access control strategy for LoRa networks with multiple single-channel gateways and the same transmission parameters are used by the entire network. It is based on the pure- ALOHA protocol used in LoRa, and each end-device uses control packets to advertise its transmissions. In the following, a new access strategy based on channel hopping is proposed. In this, each ED uses the transmission characteristics that are most convenient to it, with respect to the signal's quality with the single-channel GWs that are in its communication range. These strategies aimed to increase the efficiency of the network, allowing end-devices to transmit faster and increasing the percentage of successfully transmitted packets by reducing the amount of collisions, given the regulation of the competition in the access to the transmission medium.

Com o aparecimento das tecnologias Low Power Wide Area Network (LPWAN), como suporte para as aplicações da Internet of Things (IoT), Long- Range (LoRa) tornou-se popular, sendo atualmente uma das tecnologias LPWAN mais promissoras, ainda que as suas transmissões tenham baixas taxas de débito e restrições nos ciclos de trabalho. A popularidade deve-se às características que a tecnologia LoRa possui adequadas para redes IoT de larga escala, que vão desde transmissões de longo alcance, garantidas pelo esquema de modulação que esta utiliza, até ao baixo consumo de energia, aspeto crucial em redes de sensores da IoT. O foco desta dissertação é o estudo de estratégias de controlo de acesso ao meio para redes LoRa de grande escala com canal único e múltiplas gateways, relativamente à quantidade de informação útil entregue e à justiça no acesso ao meio. Inicialmente, é proposto e analisado um esquema de controlo de acesso ao meio para redes LoRa com múltiplas gateways e com um único canal, onde os mesmos parâmetros de transmissão são utilizados por toda a rede. Este é baseado no protocolo ALOHA puro utilizado no LoRa, e cada nó terminal utiliza pacotes de controlo para anunciar as suas transmissões. No seguimento, é proposto uma nova estratégia de acesso ao meio baseado na alteração do canal de transmissão. Neste, cada nó terminal usa as características de transmissão que lhe forem mais favoráveis, relativamente à qualidade de sinal que tem com as gateways que se encontram no seu alcance de comunicação. Estas estratégias visaram aumentar a eficiência da rede, permitindo que os nós terminais transmitam mais rapidamente, e aumentando a percentagem de pacotes transmitidos com sucesso através da redução da quantidade de colisões, possibilitada pela regulação da competição no acesso ao canal de transmissão.