Estudio de los efectos producidos por el crecimiento de internet de las cosas en el espectro de radiofrecuencia.

Introducción

Contribuciones y limitaciones de la investigación

Finalmente, la revisión y análisis completo del protocolo LoRaWAN permitirá a quien lea este trabajo comprender en detalle los métodos de operación disponibles y cómo implementar y analizar una red de este tipo. Tampoco se han analizado detalles sobre posibles optimizaciones en tiempo real del funcionamiento de una red de este tipo.

Hipótesis

Objetivo Principal

Objetivos Específicos

Metodología de investigación utilizada

Se buscó obtener la forma de la señal y la utilización del espectro mediante el uso de analizadores de espectro basados en radio definida por software, así como analizadores de protocolo. vii) Realización de simulaciones: con el fin de lograr una mayor escalabilidad de los resultados para condiciones donde no es posible realizar mediciones de laboratorio, como para conocer los resultados de las interacciones de una gran cantidad de dispositivos y protocolos, se realizaron las simulaciones utilizando MATLAB y Python para realizar operaciones de procesamiento en datos simulados, así como operaciones de procesamiento de señales digitales. viii) Comparación entre modelos teóricos y datos empíricos obtenidos de experimentos y simulaciones. Se ha realizado una comparación de los resultados obtenidos de las medidas de dispositivos reales y las simulaciones realizadas con Matlab y Python, en caso de encontrar diferencias significativas se buscará su origen.

Contenido y Estructura de la tesis

En la segunda parte, los Capítulos 2 y 3, se describen los principales marcos teóricos, que incluyen los conceptos teóricos básicos del Internet de las Cosas y el protocolo LoRaWAN. En la cuarta parte, que comprende los capítulos 5 y 6, se presentan los materiales y métodos para ensayos de laboratorio y de campo.

Internet de las Cosas

Reseña del capítulo
Introducción a Internet de las Cosas
Redes de área amplia de baja potencia (LPWAN)
Aplicaciones de Redes LPWAN
Banda licenciada vs. No Licenciada
Conclusiones

Un objetivo muy importante para el desarrollo del Internet de las Cosas fue la creación de entornos y espacios inteligentes con cosas con "vida propia" (ver p. En consecuencia, el objetivo de las Redes de Área Amplia de Baja Potencia (LPWAN)) es . convertirse en un tema central en IoT.

Protocolo LoRaWAN

Reseña del capítulo

Introducción

Un servidor de red enruta paquetes desde cada dispositivo en la red al servidor de aplicaciones asociado. hNS-JS para el proceso de activación entre el servidor de conexión y el servidor web.

Elementos de una red LoRaWAN

Dispositivo Final
Servidor de Red
Servidor de Aplicaciones
Servidores de Union

Los dispositivos finales se comunican con las puertas de enlace, cada puerta de enlace está conectada a un servidor de red. El servidor de aplicaciones procesa los mensajes de datos de aplicaciones recibidos de los dispositivos finales.

Fundamentos operacionales una red LoRaWAN

Modulación fisica DSSS
Corrección de errores en Lora

La relación entre la tasa de bits de la secuencia de código y la tasa de bits de la señal de datos se denomina ganancia de procesamiento (Gp). La cantidad de código de dispersión que se aplica a la señal original se denomina factor de dispersión (SF).

Formato de la trama física LoRa

Utilización del tiempo de aire en LoRa

El tiempo de carga útil total de LoRaWAN viene dado por la Ecuación 13 y está relacionado con el ancho de banda del canal (BW) y el factor de dispersión (SF). El tiempo total para un paquete LoRaWAN viene dado por la Ecuación 15, que se deriva de la Ecuación 13, la Ecuación 10, la Ecuación 11 y la Ecuación 12 y está relacionado con el ancho de banda del canal (BW) y el factor de dispersión (SF).

Clasificación de los Dispositivos LoRaWAN

Los dispositivos de clase A son los dispositivos bidireccionales con mayor eficiencia energética; están inactivos la mayor parte del tiempo. Los dispositivos de clase C son dispositivos bidireccionales con tiempo máximo de recepción, tienen sus ventanas de recepción permanentemente abiertas, pero las cierran solo cuando transmiten.

Conclusiones

Análisis de capacidad de una red LoRaWAN

Efectos de ALOHA en una red LoRaWAN
Planes de frecuencia

Plan de Frecuencia EE. UU
Plan de Frecuencia Argentina y Australia

Modelos de propagación de señales
Modelado de escenarios

Urbano denso con edificios de hormigón y sensores interiores
Suburbano disperso con casas y sensores interiores

Conclusiones

Tasa de bits total de la puerta de enlace frente al factor de dispersión y la tasa de código para Aloha en una puerta de enlace de 8 canales. Graficando la atenuación en función de la distancia como en la Figura 24, se marcan los umbrales para operar en los factores de dispersión más resistentes por un lado y rápidos por otro, SF=12 y SF=7.

Materiales de laboratorio y trabajo de campo

MicroPython

Utilización de python
Ventajas de usar Python en IoT

Equipamiento LoRAWAN

FiPy
PySense
PyTrack
PyGate

Equipamiento de medición de radiofrecuencia

Software defined Radio (SDR)
LimeSDR

Herramientas de software

Chirpstack
InfluxDB (Base de Datos)
GrafanA
GNURADIO

Conclusiones

Los datos de series temporales se indexan en orden temporal, que es una secuencia de puntos de datos. Una base de datos de series temporales (TSDB) es un sistema de base de datos optimizado para proporcionar datos de series temporales.

Métodos y resultados de ensayos

Introducción

Configuración de los componentes

Chirpstack
Gateway – PyGate
Sensor – PySense
Sensor – PyTrack
LimeSDR
GNURadio
Grafana

Se define una transición en la pestaña correspondiente según el DevEUI especificado, como se muestra en la Figura 40. Se define una nueva aplicación en la pestaña correspondiente, como se muestra en la Figura 41.

Experimentos

Laboratorio
Rural – Abierto
Urbano - Semidenso

Con base en esto, se definieron cuatro puntos de prueba en la Tabla 25 y se mapearon geográficamente en la Figura 52, donde se puede ver la ubicación y las distancias. Se definieron tres puntos de prueba en la Tabla 26 y se mapearon geográficamente en la Figura 53 donde se pueden ver la ubicación y las distancias.

Resultados

Laboratorio
Mediciones de RSSI, SNR y perdida de paquetes - Rural
Mediciones de RSSI, SNR y perdida de paquetes - Urbano

En el Anexo 2 se proporciona una tabla con los valores resumidos para cada uno de los puntos. Los datos del RSSI se dibujan en forma de diagrama de caja en la Figura 57 y en el Apéndice 2 se presenta una tabla con los valores resumidos para cada uno de los puntos.

Conclusiones

En el entorno rural, la cobertura era mucho más amplia y se conseguían distancias superiores a los 2000 metros sin pérdidas de datos significativas. Finalmente, se ha comprobado que la activación con el modelo OTAA proporciona un mecanismo de operación mucho más simple y estable en una red productiva con condiciones variables, mientras que el ABP es mucho más útil para pruebas de laboratorio, pero mucho menos escalable en grandes despliegues. .

Simulaciones

Introducción

Software de simulación

LoRaSim
FLoRa

Aunque LoRaSim es un simulador simple que proporciona mucha información en términos de rendimiento de la red, hay algunas funciones que no realiza, entre las que destaca la confirmación de mensajes. Por lo tanto, no se puede usar para investigar algunos aspectos del rendimiento de la red, especialmente cuando los nodos cambian su factor de dispersión con la retroalimentación de la puerta de enlace y, por lo tanto, no se puede usar para evaluar el mecanismo de velocidad de datos adaptable (ADR). ), que es fundamental para optimizar el rendimiento de la red (Reynders et al., 2018).

Metricas de simulación

Relación de entrega de paquetes (PDR)
número de colisiones
Distribución espacial de los nodos
Histograma de factores de dispersión

Además, FLoRa ofrece un modelo de capa física LoRa preciso y una simulación de extremo a extremo con una (o más) puertas de enlace. La capa física entre la(s) puerta(s) de enlace y el servidor de red se puede realizar con los módulos de marco INET existentes.

Parámetros de simulación

Resultados de simulación

Resultados de simulación rural
Resultados de simulación Urbana

Esta simulación muestra el impacto del crecimiento en la cantidad de sensores en la tasa de entrega de paquetes exitosa, en este escenario la cantidad de canales se deja fija en 8 y el intervalo de entrega de paquetes en 30 segundos por sensor. Esta simulación muestra el impacto del crecimiento en la cantidad de sensores en la tasa de entrega de paquetes exitosa; en este escenario, el tamaño de la carga útil se establece en 20 bytes y el intervalo de entrega de paquetes se establece en 30 segundos por sensor.

Conclusiones

Finalmente, se verificó cómo la distribución espacial de los dispositivos hace que a medida que aumenta la distancia se utilicen factores de dispersión más altos y cómo esto afecta la capacidad general de la red. Es importante mencionar que saber esto le permitirá tomar decisiones para limitar el rango máximo para usar solo factores de dispersión más bajos y así mantener la capacidad total del canal en valores más altos.

Redes HFC

Redes Nodo+0
Redes HFC Nodo+1 o Nodo+2

Este escenario está cubierto por la configuración LoRaWAN presentada en la sección 4.5.1, si la puerta de enlace LoRaWAN está ubicada en un nodo óptico, en esta configuración se requiere una distancia máxima de 253 m para atender las estaciones que utilizan la capacidad máxima con un factor de dispersión de SF =7. Este escenario está cubierto por la configuración LoRaWAN presentada en la sección 4.5.2, si el gateway LoRaWAN está ubicado en un nodo óptico, en esta configuración se requiere una distancia máxima de 764 m para atender las estaciones utilizando la capacidad máxima con un factor de dispersión de SF=7.

Densidad y rendimiento de la red

Un cálculo relevante es conocer el número máximo de sensores del mismo tipo que soporta un determinado canal en condiciones ideales para la programación de la transmisión, lo cual se puede realizar llevando el ciclo de trabajo al 100% según la ecuación 27. La Tabla 32 muestra una lista de sensores típicos junto con su carga útil e intervalos para realizar un cálculo del ciclo de trabajo para cada uno.

Conectividad de alimentación y backhaul

Alimentación de energía
Conectividad de red

Este enfoque brinda una gran ventaja para la confiabilidad del backhaul, ya que requiere recursos insignificantes de la red DOCSIS. Dado esto, el flujo de servicio garantizado de entrega de alta prioridad en tiempo real se puede utilizar en ese módem para garantizar la entrega inmediata de información.

Conclusiones

Conclusiones y trabajos futuros

Conclusiones

Por otro lado, las curvas de velocidad de transmisión exitosas permiten definir un límite máximo aceptable de pérdida de paquetes de acuerdo a la criticidad de los datos transmitidos para definir el número máximo de sensores a soportar. En segundo lugar, se validó la fuerte influencia del ciclo de actividad de los sensores en la tasa de entrega exitosa de paquetes, y dado que las aplicaciones de uso intensivo de datos afectan seriamente la cantidad máxima de sensores.

Trabajos futuros

La suma de los trabajos en los diferentes capítulos permitió probar las dos hipótesis principales formuladas al inicio de este trabajo, donde se comprobó el efecto no solo por el crecimiento en el número de unidades, sino también por las diferentes aplicaciones en las mismas. , por otro lado, las mediciones de campo permitieron validar la influencia de la distribución demográfica en el funcionamiento de una red, validando la cobertura mucho mayor posible en las zonas rurales (5000 metros) con respecto a las periferias y las urbanas ( 400 metros). Finalmente, sería recomendable realizar un proyecto para analizar los beneficios de duplicar el ancho de banda disponible utilizando el estándar EE.

Publicaciones y trabajos a que dio lugar la tesis

Patentes

Publicaciones en revistas internacionales

Publicaciones en Congresos internacionales

Publicaciones en Congresos

Libros / Normas tecnicas

Desarrollos tecnologicos

Retrieved July 17, 2022, from https://lora-developers.semtech.com/documentation/tech-papers-and-guides/lora-and-lorawan/. Retrieved September 2, 2022, from https://lora-developers.semtech.com/documentation/tech-papers- and-guides/lora-and-lorawan/.

Codigo de sensores y aplicaciones

Tablas de mediciones

Teorema de Shannon

Teorema de Shannon simplificado para Spread Spectrum

Ruido de Johnson-Nyquist

Ruido Johnson-Nyquist a temperatura ambiente

Sensibilidad de un receptor de radio

Cálculo de enlace

Atenuación del espacio libre

Tiempo de Aire de LoRaWAN

Tiempo de Preámbulo de LoRaWAN

Tiempo de Símbolo de LoRaWAN

Tasa de Símbolo de LoRaWAN

Tiempo de Carga Útil de LoRaWAN

Longitud de Carga Útil de LoRaWAN

Tiempo de paquete de LoRaWAN

Tasa de Bits de LoRaWAN

Formula de la atenuación en el espacio libre

Periodo de símbolos LoRaWAN

Potencia de señal recibida en función de transmitida y atenuación

Modelo log-normal atenuación

RSSI teórico con n=1.61

Tasa de entrega de paquetes (PDR)

Capacidad de canal con factores mixtos

Formula del ciclo de actividad

Formula de la cantidad máxima de sensores en condiciones ideales

Formula de la cantidad máxima de sensores en un canal ALOHA

Ciclo de actividad total de un grupo de sensores

Ciclo de actividad máximo en función de numero de canales