Misura della capacità LoRaWAN in ambiente urbano ad elevata densità

Uno studio valuta la capacità di una rete di livello enterprise di gestire il traffico generato dai sensori wireless.

Molto è stato scritto sulle reti WAN (Wide Area Network) che si basano sulla tecnologia wireless per trasferire dati su lunghe distanze. Tuttavia, quanto sono affidabili se poste in un denso ambiente urbano? Quale frequenza di pacchetti può essere raggiunta con successo, e le interferenze sono un problema? O è un problema la densità del gateway e cosa succede quando più sensori interagiscono con più gateway?

Un recente studio realizzato a Filadelfia è stato impostato per misurare con esattezza l’efficacia di una rete a lunga distanza LoRaWAN, nella gestione di grandi quantità di traffico generato da sensori in un ambiente affollato.

Lo studio ha esaminato un’area urbana di circa ¼ di miglio quadrato che conteneva circa 100 abitazioni per isolato e 1.000 nell’area completa di dispiegamento. Si è ipotizzato che ogni sito avesse una media di 10 dispositivi Internet of Things (IoT) abilitati LoRa che inviavano un pacchetto upstream ogni ora, il che significa che in un periodo di 24 ore la rete doveva gestire circa 250.000 pacchetti. A fini comparativi, sono state simulate condizioni di stress del traffico gestendo 500.000 (Fase 2) e 1 milione di pacchetti al giorno (Fase 3) con velocità di trasmissione pari a quello generato da 10.000 sensori. I pacchetti sono stati inviati a intervalli casuali attraverso 10 gateway per interni MultiTech Conduit 8-channel per imitare un’impostazione nel mondo reale e garantire che si verificasse la sovrapposizione dei pacchetti.

Obiettivi

Uno degli obiettivi dell’esercizio era valutare se si potesse raggiungere un tasso di successo dei pacchetti di almeno il 90% nel caso di trasmissione di un solo pacchetto senza conferma. Allo stesso tempo, comprendere le funzionalità ad alta capacità dei dispositivi LoRa e verificare la capacità della tecnologia di consegnare con successo più pacchetti sovrapposti.

Lo scopo era anche quello di comprendere la diversità dei gateway e il modo in cui ciascun dispositivo comunicava con più gateway durante la trasmissione dei dati, verificando l’idoneità di un’infrastruttura cloud per applicazioni commerciali ad alto volume.

Altri obiettivi includevano test di scalabilità dei server di rete e il monitoraggio degli effetti che l’ambiente ha sulla propagazione del segnale, sulla percentuale di successo dei pacchetti e sulla diversità dei gateway. È stato anche utile osservare quale impatto avrebbero avuto sulla capacità fattori quali multipath fading, interferenze radio e throughput del backhaul.

Posizionamento e utilizzo

Tutti i gateway sono stati autoinstallati dai partecipanti allo studio che si sono assicurati che fossero collocati vicino a punti di accesso Wi-Fi o TV via cavo. Sono stati installati più sensori in modo tale da rappresentare scenari di vita reale con diversi livelli di penetrazione in radiofrequenza (RF), ad esempio negli scantinati, nei forni, tra gli elettrodomestici e nei mobili della cucina. Il 15% dei sensori si trovava in auto parcheggiate intorno all’area di prova per imitare un utilizzo “Light Indoor”.

Per riprodurre un generico sensore basato su LoRaWAN con un’antenna in gomma da 5 cm, MachineQ ha utilizzato il kit di valutazione Semtech standard (Nucleo Pack) che include una scheda radio SX1276MB1LAS accoppiata ad una scheda Nucleo STM32L073RZT. I kit erano alimentati da generiche batterie e tutti i sensori erano configurati per una potenza TX di 18 dBm ed un payload di 11 byte. Tutti i gateway e i dispositivi terminali hanno utilizzato i canali 24 31 come definito nelle specifiche LoRaWAN dell’area del Nord America.

Il tempo intercorso tra l’invio di pacchetti dai dispositivi variava da quattro secondi a 60 secondi, mantenendo una frequenza media complessiva di invio dei pacchetti di una volta ogni 32 secondi. Le frequenze di Fase 2 sono state utilizzate per valutare il comportamento di una rete via etere in cui vi sia un’elevata probabilità di collisioni di pacchetti mentre la Fase 3 era intesa a identificare un carico di rete massimo sostenibile, evidenziando al contempo eventuali variazioni nel ritardo tra i pacchetti.

Figura 1: Densità del traffico di pacchetti in due differenti scenari e ritardo tra i pacchetti.

Successo delle Misure

Un modo per valutare il tasso di successo dello studio era il monitoraggio del tasso di errore dei pacchetti (registrazione dei numeri di sequenza mancanti). Se un pacchetto non era stato ricevuto, mancava nella sequenza incrementale. I risultati hanno mostrato che qualunque fosse il volume del pacchetto, la percentuale di successo nella consegna era stata superiore al 95%, con una perdita media di pacchetti del 3,77%.

In dettaglio, con un numero di pacchetti giornaliero di 247.779 vi era stato un tasso di successo del 97,73%, a 500.000 il tasso era del 97,25% e quando il numero era nuovamente aumentato, raddoppiando fino a 1 milione il tasso era stato del 96,23%.  Il raggiungimento di questo livello di successo in condizioni di carico estreme ha dimostrato il potenziale livello industriale di una fitta rete LoRaWAN installata e gestita professionalmente.

Inoltre, dei 915.000 pacchetti generati dallo studio, diverse migliaia di essi sono stati ricevuti a quasi 1,5 miglia di distanza da più gateway nel laboratorio MachineQ, che era coperto da una notevole infrastruttura urbana. Inoltre, nella sovrapposizione dei pacchetti è stata monitorata quando due o più pacchetti sono sopravvissuti alla sovrapposizione e sono stati consegnati senza errori nel cloud.

Figura 2: Distanza tra l’area di test e l’ufficio di MachineQ il cui gatway, pur situato a 1,5 miglia di distanza,
ha spesso captato i pacchetti generati.

Per tutta la durata dello studio, si è notato che il server di rete e l’infrastruttura cloud hanno potuto supportare con successo tutto il traffico, nonostante un ambiente urbano nel mondo reale ingombro e disordinato. Era chiaro che la propagazione attraverso un ambiente urbano residenziale non era un problema per una rete LoRaWAN di livello aziendale. I risultati hanno anche indicato che multipath fading, interferenze radio e backhaul throughput non avrebbero un impatto significativo sulla distribuzione nel mondo reale.

Lo studio ha anche registrato che una percentuale significativa di pacchetti si sovrapponeva al traffico proveniente da altri sensori. Ciò accade quando due o più pacchetti vengono ricevuti contemporaneamente in condizioni di traffico ad alta densità.

LoRa consente ai pacchetti sovrapposti di sopravvivere a potenziali collisioni e di arrivare al server di rete senza errori. In qualsiasi altra tecnologia IoT praticabile, due o più pacchetti che comparissero contemporaneamente sullo stesso canale comporterebbero la perdita degli stessi pacchetti. L’ortogonalità di LoRa aumenta la capacità della rete e, quando combinata con un’alta densità di gateway (che rappresenta il numero di gateway che ricevono ciascun pacchetto ed è una misura importante di una rete su larga scala) ha come conseguenza capacità molto elevata.

Guardando al futuro

Dallo studio emerge chiaramente che un sistema basato su LoRa può funzionare in modo affidabile a vari livelli di capacità e una distribuzione LoRa su larga scala sarebbe in grado di gestire più del numero previsto di pacchetti al giorno in un ambiente di rete denso.

Lo studio ha dimostrato che con un tasso di successo quasi del 98%, LoRa può essere utilizzato per trasmettere dati su larga scala e con un carico di rete massimo vicino a due milioni di pacchetti al giorno. Alla massima distribuzione, la rete ha utilizzato con successo la diversità dei gateway, con ogni dispositivo che comunicava con gateway diversi durante la trasmissione dei dati. In media, ciascun sensore comunicava con 2,5 gateway confermando il successo dell’ortogonalità nell’implementazione su larga scala, che è un grande vantaggio di una rete multi-tenant.

Anche l’infrastruttura cloud e il server di rete hanno funzionato con successo nello scenario massimo di implementazione su larga scala, ma è necessario ulteriore lavoro per analizzare in che modo specifici fattori ambientali possono influenzare la propagazione, il tasso di successo dei pacchetti e la diversità dei gateway.

Guardando al futuro, i progettisti di reti possono essere certi che la capacità non è un problema per la copertura LoRaWAN e poiché la tecnologia consente ai dispositivi finali di trasmettere in qualsiasi momento, la complessità viene spostata dai dispositivi alla rete. Ciò riduce significativamente la quantità di energia necessaria al dispositivo finale per gestire e mantenere il coordinamento della rete.

In sintesi, lo studio ha confermato la disponibilità di una rete LoRaWAN affidabile di livello aziendale per una varietà di applicazioni IoT.   Maggiori informazioni sono disponibili su  www.semtech.com/IoT.

 

A cura di Patrick van Eijk, IoT Solutions Director, Semtech Corporation.

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