Improving Downlink Scalability in LoRaWAN

Sebbene LoRaWAN offra molti vantaggi, uno dei suoi limiti principali è l'insufficiente capacità di inviare frame downlink in scenari su larga scala, rendendo impraticabile una comunicazione affidabile. In LoRaWAN infatti, l'affidabilità si ottiene attraverso l'implementazione di uno schema di ritrasmissione dati e conferma dei messaggi ricevuti tramite acknowledgement. Attualmente tuttavia, l'utilizzo di messaggi che richiedono conferma di ricezione è fortemente sconsigliato, in quanto potenzialmente in grado di saturare la capacità degli end-devices di inviare efficientemente messaggi. Il contributo di questa tesi è quello di fornire un'analisi completa dell'impatto dei frame di downlink sulla capacità della rete e di proporre soluzioni per consentire l'uso di acknowledgement per carico di downlink medio-basso. Le radici del problema vengono identificate e verificate su una traccia di rete reale: il fatto che le trasmissioni del gateway siano half-duplex (invio o ricezione) causa fino all'8% della perdita di frame; la schedulazione esclusivamente sequenziale dei frame downlink all’interno del gateway produce fino al 2% di perdita di frame, a causa della sovrapposizione con downlink già programmati; e la limitazione del duty cycle portano alla saturazione delle sottobande usando per la trasmissione dei downlink induce fino al 76% della perdita di frame. Per mitigare tali effetti negativi sono state da me elaborate tre soluzioni: un'implementazione multi-gateway, un invio parallelo dei frame downlink e un algoritmo di selezione gateway bilanciato. Due di questi sono testati grazie all'implementazione di un simulatore a eventi discreti che riceve in input la cattura di reali tracce di rete. A partire da una perdita massima di frame dell’ 86% con un'architettura single-gateway, le soluzioni proposte raggiungono una perdita massima del 20% in uno scenario quad-gateway in cui tutti i messaggi nella rete richiedono un ack. Inoltre, con traffico downlink medio-basso, la perdita di frame non ha mai superato il 5%. Questo grazie all’implementazione di un algoritmo di selezione del gateway più bilanciato e flessibile, compatibile con le tecnologie e le implementazioni LoRaWAN esistenti. L'implementazione di queste soluzioni in reti reali potrebbe consentire la realizzazione di applicazioni IoT LoRaWAN che richiedono una comunicazione più affidabile, realizzata attraverso la ritrasmissione di messaggi in caso di perdita di dati. La deprecazione del messaggi che richiedono conferma potrebbe non essere più necessaria per carichi medio-bassi.