AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO EM REDES LORAWAN: uma abordagem com redes de Petri Estocásticas

Abstract

RESUMO: As Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs), uma categoria das Low Power Wide Area Networks (LPWANs), são tecnologias que ganharam interesse na pesquisa e comunidade industrial assim como a LoRa Wide Area Network (LoRaWAN), um protocolo que permite a implementação de aplicações de redes de longo alcance e baixa potência para a Internet das Coisas (IoT). No entanto, desafios técnicos e operacionais, a cobertura limitada dos sensores e a falta de conectividade em áreas remotas dificultam a obtenção das informações. Além disso, existe uma lacuna de um sistema automatizado e de baixo custo, já que experimentos no mundo real demandam o custo de aquisição de equipamentos. Esta pesquisa propõe a utilização de modelos estocásticos para avaliar o desempenho das redes LoRaWAN, proporcionando uma análise detalhada sobre a eficiência e a capacidade dessas redes em diferentes cenários operacionais. A primeira parte da pesquisa foca no planejamento da capacidade dos servidores de rede, de aplicação e de monitoramento, abrangendo a análise do sistema, incluindo o processamento dos dados dos sensores e sua transmissão. Utilizando um gateway único, são analisadas múltiplas métricas com foco no monitoramento contínuo da taxa de geração de pacotes de sensores agrupados por área. A segunda parte concentra-se no desempenho da camada de sensores ao nível individual, avaliando o impacto da estratégia de tolerância a falhas como mecanismo de retransmissão, utilizando múltiplos gateways e a métrica de vazão. O objetivo principal é fornecer suporte aos administradores de infraestruturas computacionais na concepção e avaliação de sistemas que utilizam o protocolo. ABSTRACT: Wireless Sensor Networks (WSNs), a category of Low Power Wide Area Networks (LP- WANs), are technologies that are gaining interest in the research and industrial community,

as is the LoRa Wide Area Network (LoRaWAN), a protocol that enables the implemen- tation of long-range, low-power network applications for the Internet of Things (IoT).

However, technical and operational challenges, limited sensor coverage, and lack of con- nectivity in remote areas make it difficult to provide information. In addition, there is a

gap in an automated and low-cost system, since real-world experiments require the cost of acquiring equipment. This research proposes the use of stochastic models to evaluate the performance of LoRaWAN networks, providing a detailed analysis of the efficiency and capacity of these networks in different operational scenarios. The first part of the research focuses on the capacity planning of network, application, and monitoring servers, covering system analysis, including sensor data processing and transmission. Using a single gateway, several analyses are presented focusing on the continuous monitoring of the generation rate of sensor packets grouped by area. The second part focuses on the performance of the sensor layer at the individual level, evaluating the impact of the fault tolerance strategy as a retransmission mechanism, using multiple gateways and the throughput metric. The main objective is to provide support to administrators of computing infrastructures in the design and evaluation of systems that use the.