Zanesljiva omrežja IoT na dolgi doseg. Kolikšen je treba plačati?

Trenutno stanje tehnologije

IoT-omrežja, ki lahko zagotavljajo dolge dosege, so znana kot LPWANs: Low Power Wide Area Networks. LPWAN so zvezdno topološka omrežja, sestavljena iz baterijskih naprav, ki so večinoma nameščena v težkih okoljih, kjer je zamenjava baterije draga. Podatki, ki jih pošiljajo te naprave, so sestavljeni iz nekaj paketov na dan, večinokrat, ne da bi bili priznani, kot način za varčevanje z energijo in za izpolnitev 1-odstotnih omejitev delovnega cikla, ki jih ETSI nalaga v pasovih brez licenc.

Tehnologija LoRa, ki jo je razvil Semtech, je trenutno ena izmed najbolj sprejetih tehnologij za industrijske IoT aplikacije. LoRa omrežja delujejo z zelo nizko hitrostjo podatkov, in sicer od 0,3 kbps do 27 kbps, odvisno od uporabljenega faktorja širjenja (SF), vendar lahko prenašajo hitrost do 15 km (če uporabljate najmanjšo hitrost prenosa).

Trend je v smeri velike povezljivosti

Ta nizkocenovna omrežja z omejenim izkoristkom in delovnim ciklom izzivajo, da ponujajo visoko kakovost storitev, hkrati pa povezujejo ogromno število industrijskih sredstev.

Ob povečanju števila naprav v omrežju se poveča število trkov paketov. Če omrežje deluje z najhitrejšo hitrostjo podatkov (SF7 za LoRa), ti trki zmanjšajo delovanje omrežja, vendar kljub temu omrežje živi. Kadar je potreben dolg domet, omrežje deluje z najnižjo možno hitrostjo podatkov (SF12 za LoRa). V tem primeru povečano število naprav ubije omrežje: noben od poslanih paketov ne more prispeti na prehod.

Razdrobljenost paketov: možna rešitev

LPWAN omrežja so omrežja, ki temeljijo na Alohi, tako da lahko pride do trkov
kadarkoli med paketnim prenosom in tako naprej, večji kot je paket, večja je verjetnost trka med njegovim prenosom. Vsako trčenje povzroči izgubo celotnega paketa. Razdrobljenost paketa bo zmanjšala to izgubo na moteče odseke trkajočih paketov, pri čemer nekateri trgi paketa ne bodo vplivali na to trčenje. To je razvidno iz naslednje slike.

Trki v omrežjih Aloha: količina izgubljenih podatkov, ko paket pošlje nefragmentiran in razdrobljen v 2.

Izvajanje mrežnih simulacij potrjuje povečanje učinkovitosti pri uporabi fragmentacije. Učinkovitost je merjena z omrežjem: odstotek pravilnih paketov, ki jih je prehod prejel, glede na število paketov, poslanih v omrežje. Rezultati kažejo, da lahko pri SF12 omrežni dohodki dvignejo od 10% do več kot 80% s fragmentacijo v več kot 25 vsakega paketa, poslanega v 5-vozliško omrežje. Čim gostejša je mreža, pomembnejši bodo dobljeni dobički.

Odstopanje od omrežne dobrine pri fragmentaciji 250 bajtnega paketa glede na primer, ko se fragmentacija paketa ne uporablja, za 1% omejena delovna obdobja LPWAN omrežja, sestavljena iz 5, 10 in 20 senzorskih vozlišč, ki delujejo na SF12.

Razdrobljenost paketov: stroški izvedbe

Ko se uporabi fragmentacija paketov, se bo koristna obremenitev razdelila na količino potrebnih fragmentov in vsakemu fragmentu bo dodan en dodatni bajt glave. Ta dodatna glava za vsak fragment povzroči povečanje porabe energije v omrežju in končno zamudo za pošiljanje podatkov (v primerjavi s primerom, ko se fragmentacija paketov ne uporablja).

Na porabo energije senzorskih vozlišč ima velik vpliv uporabljeni faktor porabe, saj višji kot je porabni faktor, večje je trajanje paketa in implicitno poraba energije za njegovo pošiljanje.

Pri delu v omrežjih z omejenim delovnim ciklom se zakasnitev od konca do konca poveča za skoraj 120%, ko se fragmentira na 50 fragmentov v primerjavi s primerom, ko se fragmentacija ne uporablja, za omrežja, ki delujejo na SF7. Pri omrežjih, ki delujejo na SF12, se odmik od konca do konca poveča s številom fragmentov in doseže 260-odstotno režijsko vrednost, neodvisno od števila vozlišč v omrežju. Povečanje zamude povzročajo izključno glave, ki ustvarjajo potrebo po dodatnem prostem času (naložena z 1-odstotno omejitvijo delovnega cikla).

Kar zadeva optimalno število fragmentov / paketa, ki jih je treba uporabiti, je možno doseči kompromis med zmogljivostjo dobrega izkoristka in dodatnimi stroški v smislu porabe energije in zamude.