Energy Saving Protocols for the Internet of Things
Protocoles à économie d'énergie pour l'Internet des Objets
Résumé
In this dissertation, we consider performance aspects of LoRa, one of the promisingtechnologies for lightweight smart sensors for the Internet of Things (IoT). LoRa belongs to a new class of Low Power Wide Area (LPWA) networks and defines a specificradio layer based on the Chirp Spread Spectrum modulation and a simple MediumAccess Control called LoRaWAN. The operation of LoRaWAN is similar to ALOHA: adevice wakes up and sends a packet to a Gateway right away. This choice of the accessmethod highly impacts the capacity of LoRa and its scalability to a large number ofdevices. It results in a high level of packet losses due to collisions as the number ofdevices increases.Motivated by these challenges, we have designed and implemented enhanced access methods to improve LoRa performance. First, we have taken advantage of CarrierSense Multiple Access (CSMA) to lower the collision ratio. We have used the NS-3 simulator to evaluate the scheme and the simulation results show that CSMA considerablylowers the collision ratio while only slightly increasing energy consumption. Second, wehave proposed Timemaps, a new access method for improving the performance of LoRa.The idea is to build a temporal map of all transmissions of IoT devices by a Gatewayand distribute the schedule during join. Schedules admit overlapping transmissions ofdifferent spreading factors and as devices usually allocate a spreading factor in functionof the increasing distance from the Gateway, transmissions will be in fact orthogonal,which leads to increased overall capacity of the network.We have used the NS-3 simulator to evaluate Timemaps in both cases of perfect clocks and clocks with a drift.The simulation takes into account quasi-orthogonality of transmissions with differentspreading factors and the capture effect. The results show that Timemaps benefitsfrom remarkably higher packet delivery ratio and considerably lower the collision ratiocompared to LoRaWAN along with moderately increased energy consumption.To validate both schemes we have developed an NS-3 module that simulates thefine-grain LoRa operation. The module uses an energy framework implemented in NS-3to estimate energy consumption at battery powered nodes and in the whole network.
Dans cette thèse, nous explorons des aspects performances de LoRa, l’une des technologies prometteuses pour des équipments IoT. LoRa appartient à une nouvelle classede réseaux appelés “Low Power Wide Area Networks” (LPWAN) et définit une couchede radio spécifique basée sur la modulation “Chirp Spread Spectrum” et une méthodesimple d’accès appelée LoRaWAN. Le fonctionnement de LoRaWAN est similaire àALOHA: un appareil se réveille et envoie immédiatement un paquet à une passerelle.Ce choix de la méthode d’accès a un impact important sur la capacité de LoRa et sonévolutivité vers un grand nombre d’appareils. Il en résulte un niveau élevé de paquetsperdus suite aux collisions à mesure que le nombre d’appareils augmente.Motivés par ces défis, nous avons conçu et mis en œuvre deux méthodes d’accèsaméliorées pour LoRa. Tout d’abord, nous avons proposé d’appliquer la technique“Carrier Sense Multiple Access” (CSMA) à LoRa pour diminuer le nombre de collisions. Nous avons utilisé le simulateur NS-3 pour évaluer le schéma et les résultatsde la simulation montrent que CSMA réduit considérablement le taux de collisionstout en n’augmentant que légèrement la consommation d’énergie. Ensuite, nous avonsproposé Timemaps, une nouvelle méthode d’accès pour améliorer les performances deLoRa. L’idée est de construire une carte temporelle de toutes les transmissions dans lapasserelle et distribuer le planning de transmission lors de l’opération d’attachementd’un équipement au réseau. La carte temporelle permet un chevauchement des transmissions effectués avec des facteurs d’étalement différents. Comme des appareils allouent un facteur d’étalement en fonction de l’éloignement croissant de la passerelle,les transmissions deviennent orthogonales, ce qui conduit à une augmentation globalede la capacité du réseau.Nous avons utilisé le simulateur NS-3 pour évaluer la méthode de Timemaps dansdeux cas: des horloges parfaites et des horloges avec une dérive. La simulation prend encompte la quasi-orthogonalité des transmissions avec différents facteurs d’étalement etl’effet de capture. Les résultats montrent que Timemaps bénéficie d’un taux de livraison de paquets remarquablement plus élevé et du taux de collisions considérablementplus faible par rapport à LoRaWAN avec une consommation d’énergie modérémentaugmentée.Pour valider les deux schémas proposés, nous avons développé un module NS-3qui simule l’opération de LoRa à grain fin. Le module utilise un cadre énergétiqueimplémenté dans NS-3 pour estimer la consommation d’énergie par nœuds et dansl’ensemble du réseau.
Domaines
Arithmétique des ordinateurs
Origine : Version validée par le jury (STAR)