LORAWAN EXPANDIDO COM A IMPLEMENTAÇÃO DA TOPOLOGIA CLUSTER-TREE ESCALONADA E DO MECANISMO DE ACESSO AO MEIO CSMA/CA PARA RSSFS DE LARGA ESCALA

Abstract

Resumo: Redes baseadas na tecnologia Long-Range (LoRa) usualmente implementam o protocolo LoRaWAN como a camada de acesso ao meio (MAC - Medium Access Layer), apesar deste protocolo possuir certas limitações, como por exemplo, o suporte apenas à topologia de rede estrela. Nesta topologia, o alcance das transmissões está restrito a um único salto e, portanto, os dispositivos não contam com retransmissões ao longo da rede para tentar alavancar sua área de cobertura e, também, contornar atenuações de sinal com a distância, presença de obstáculos ou com interferências de outras fontes de rádio. Diante destas circunstâncias e para buscar expandir o alcance das transmissões em uma topologia estrela, rádios LoRa contêm os parâmetros bandwidth (BW), spreading factor (SF) e coding rate (CR), que podem ser configurados para esta expansão, apesar de estes ajustes por si só, ocorrerem às custas de um maior consumo energético e de uma maior probabilidade de colisão de pacotes, devido ao aumento no tempo em que os rádios dos dispositivos necessitam permanecer ligados para concluir uma transmissão nestas novas configurações de rádio. Outra limitação em redes LoRaWAN que afeta sua performance, consumo energético, bem como a adequabilidade para o uso em Redes de Sensores sem Fio (RSSFs) de larga escala, é a existência do protocolo de acesso ao meio ALOHA, que não provê controles, verificação do canal ou sincronismo para transmissões. Em redes com muitos dispositivos, este protocolo tende a maiores probabilidades de colisão de pacotes e, consequentemente, gera retransmissões e gastos energéticos que poderiam ser evitados caso fosse adotado um mecanismo de acesso ao meio mais adequado para RSSF de larga-escala. Diante das limitações expostas e, para que o protocolo LoRaWAN possa ser melhor utilizado em RSSFs de larga escala, este trabalho de mestrado propõe a implementação de uma topologia que possa ampliar a cobertura de rede, bem como utilizar um mecanismo de acesso ao meio que melhor atenda aos recursos limitados de dispositivos LoRaWAN. Assim, este trabalho propõe o desenvolvimento de uma RSSF de larga escala LoRaWAN multi-saltos, baseada na topologia cluster-tree, que visa expandir a cobertura espacial, sincronizar clusters e dispositivos, permitir a escalabilidade da rede, bem como buscar evitar colisões, melhorando métricas de comunicação e reduzindo o consumo energético com a utilização do novo mecanismo de acesso ao meio CSMA/CA. Uma avaliação de desempenho por simulação, aplicada a diferentes cenários de RSSFs de larga escala, foi realizada a fim de avaliar os mecanismos propostos neste trabalho. Os resultados apresentados mostram que a RSSF LoRaWAN cluster-tree escalonada e associada ao mecanismo CSMA/CA apresenta melhores resultados, quando comparada com propostas que não utilizam os mecanismos propostos, em relação à taxa de entrega de pacote, uso energético e escalabilidade da rede. Abstract: Networks based on Long-Range radio modulation (LoRa), usually implement the Lo RaWAN protocol as the medium access layer (MAC), although this protocol has certain limitations, such as, supporting only the star network topology. In this topology, the range of transmissions is restricted to a single hop and, therefore, the devices do not rely on retransmissions along the network to try to leverage their coverage area and, also, to circumvent signal attenuations with distance, presence of obstacles or with interference from other radio sources. Given these circumstances and in order to expand the range of transmissions in a star topology, LoRa radios rely on the parameters bandwidth (BW), spreading factor (SF) and coding rate (CR), that can be configured for this range expan sion, although these adjustments by themselves, occur at the expense of greater energy consumption and a greater probability of packet collision, due to the increase in the time in which the radios of the devices need to stay turned on to complete a transmission in these new settings. Another limitation in LoRaWAN networks that affects their perfor mance, energy consumption, as well as suitability for use in large-scale wireless sensor networks (WSNs), is the existence of the ALOHA-type medium access protocol, which does not provide controls, channel verification or timing for transmissions. In networks with many devices, this protocol tends to have higher probabilities of packet collision and, consequently, generates retransmissions and energy expenditures that could be avoided if a more suitable medium access mechanism for large-scale WSN were adopted. Given the limitations exposed and, so that the LoRaWAN protocol can be better used in large-scale WSNs, this master’s work proposes the implementation of a topology that can expand the network coverage, as well as use a mechanism for accessing the medium that best meet the limited features of LoRaWAN devices. Thus, this work proposes the development of a multi-hop LoRaWAN large-scale WSN, based on the cluster-tree topology, which aims to expand the spatial coverage, synchronize clusters and devices, allow the scalability of the network , as well as seeking to avoid collisions, improve communication metrics and reduce energy consumption, using the new CSMA/CA access mechanism. A performance evaluation by simulation, applied to different scenarios of large-scale WSNs, was carried out in order to evaluate the mechanisms proposed in this work. The results presented show that the scaled WSN LoRaWAN cluster-tree associated with the CSMA/CA mecha nism, presents better results, when compared to proposals that do not use the proposed mechanisms, in relation to the packet delivery rate, energy use and network scalability