Towards LoRa mesh networks for the IoT

Abstract

There are several LPWAN radio technologies providing wireless communication to the billions of connected devices that form the so-called IoT. Among them, LoRa has emerged in recent years as a popular solution for low power embedded devices to transmit data at long distances on a reduced energy budget.

Most often, LoRa is used as the physical layer of LoRaWAN, an open standard that defines a MAC layer and specifies the star-of-stars topology, operation, roles and mechanisms for an integrated, full-stack IoT architecture. Nowadays, millions of devices use LoRaWAN networks in all sorts of agriculture, smart cities and buildings, industry, logistics and utilities scenarios.

Despite its success in all sorts of IoT domains and environments, there are still use cases that would benefit from more flexible network topologies than LoRaWAN's star-of-stars. For instance, in scenarios where the deployment and operation of the backbone network infrastructure is technically or economically challenging, a more flexible model may improve certain performance metrics. As a first major contribution, this thesis investigates the effects of adding multi-hop capability to LoRaWAN, by means of the realistic use case of a communication system based on this architecture that provides a coordinated response in the aftermath of natural disasters like an earthquake. The capacity of end nodes to forward packets and perform multi-hop transmissions is explored, as a strategy to overcome gateway infrastructure failures, and analyzed for challenges, benefits and drawbacks in a massive system with thousands of devices.

LoRa is also used as a stand-alone radio technology, independently from the LoRaWAN architecture. Its CSS modulation offers many advantages in LPWANs for IoT deployments. In particular, its different SFs available determine a trade-off between transmission time (i.e., data rate) and sensitivity (i.e., distance reach), and also generate quasi-orthogonal signals that can be demodulated concurrently by different receivers. The second major contribution of this thesis is the design of a minimalistic distance-vector routing protocol for embedded IoT devices featuring a LoRa transceiver, and the proposal of a path cost calculation metric that takes advantage of the multi-SF capability to reduce end-to-end transmission time. The protocol is evaluated through simulation and compared with other well-known routing strategies, analyzing and discussing its suitability for heterogeneous IoT LoRa mesh networks.

Hi ha diverses tecnologies de ràdio LPWAN que proporcionen comunicació sense fils als milers de milions de dispositius connectats que conformen l'anomenada IoT. D'entre elles, LoRa ha emergit en els darrers anys com una solució popular per a què dispositius encastats amb pocs recursos transmetin dades a llargues distàncies amb un cost energètic reduït. Tot sovint, LoRa s'empra com la capa física de LoRaWAN, un estàndard obert que defineix una capa MAC i que especifica la topologia en estrella d'estrelles, l'operació, els rols i els mecanismes per implementar una arquitectura de la IoT integrada. A dia d'avui, milions de dispositius fan servir xarxes LoRaWAN en escenaris d'agricultura, edificis i ciutats intel·ligents, indústria, logística i subministraments. Malgrat el seu èxit en tot tipus d'entorns i àmbits de la IoT, encara romanen casos d'ús que es beneficiarien de topologies de xarxa més flexibles que l'estrella d'estrelles de LoRaWAN. Per exemple, en escenaris on el desplegament i l'operació de la infraestructura troncal de xarxa és tècnicament o econòmica inviable, una topologia més flexible podria millorar certs aspectes del rendiment. Com a primera contribució principal, en aquesta tesi s'investiguen els efectes d'afegir capacitat de transmissió multi-salt a LoRaWAN, mitjançant el cas d'ús realista d'un sistema de comunicació, basat en aquesta arquitectura, per proporcionar una resposta coordinada en els moments posteriors a desastres naturals, tals com un terratrèmol. En concret, s'explora l'estratègia d'afegir la capacitat de reenviar paquets als nodes finals per tal d'eludir les fallades en la infraestructura, i se n'analitzen els reptes, beneficis i inconvenients per a un sistema massiu amb milers de dispositius LoRa s'empra també com a tecnologia de ràdio de forma autònoma, independentment de l'arquitectura LoRaWAN. La seva modulació CSS li confereix molts avantatges en xarxes LPWAN per a desplegaments de la IoT. En particular, els diferents SFs disponibles hi determinen un compromís entre la durada de les transmissions (i.e., la taxa de dades) i la sensibilitat en la recepció (i.e., l'abast en distància), alhora que generen senyals quasi-ortogonals que poden ser desmodulades de forma concurrent per receptors diferents. La segona contribució principal d'aquesta tesi és el disseny d'un protocol d'encaminament dinàmic vector-distància per a dispositius de la IoT encastats amb un transceptor LoRa, i la proposta d'una mètrica per calcular el cost d'un camí que aprofita la capacitat multi-SF per minimitzar el temps de transmissió d'extrem a extrem. El protocol és avaluat mitjançant simulacions i comparat amb altres estratègies d'encaminament conegudes, analitzant la seva conveniència per a xarxes LoRa mallades per a la IoT.

Existen varias tecnologías de radio LPWAN que proporcionan comunicación inalámbrica a los miles de millones de dispositivos conectados que forman el llamado IoT. De entre ellas, LoRa ha emergido en los últimos años como una solución popular para que dispositivos embebidos con pocos recursos transmitan datos a largas distancias con un coste energético reducido. Habitualmente, LoRa se usa como la capa física de LoRaWAN, un estándar abierto que define una capa MAC y que especi_ca la topología en estrella de estrellas, la operación, los roles y los mecanismos para implantar una arquitectura del IoT integrada. A día de hoy, millones de dispositivos utilizan redes LoRaWAN en escenarios de agricultura, edificios y ciudades inteligentes, industria, logística y suministros. A pesar de su éxito en todo tipo de entornos y ámbitos del IoT, existen casos de uso que se beneficiaran de topologías de red más flexibles que la estrella de estrellas de LoRaWAN. Por ejemplo, en escenarios en los que el despliegue y la operación de la infraestructura troncal de red es técnica o económicamente inviable, una topología más flexible podrá mejorar ciertos aspectos del rendimiento. Como primera contribución principal, en esta tesis se investigan los efectos de añadir capacidad de transmisión multi-salto a LoRaWAN, mediante el caso de uso realista de un sistema de comunicación basado en dicha arquitectura, para proporcionar una respuesta coordinada en los momentos posteriores a desastres naturales, tales como un terremoto. En concreto, se explora la estrategia de añadir la capacidad de reenviar paquetes a los nodos finales para sortear las fallas en la infraestructura, y se analizan los retos, beneficios e inconvenientes para un sistema masivo con miles de dispositivos. LoRa se usa también como tecnología de radio de forma autónoma, independientemente de la arquitectura LoRaWAN. Su modulación CSS le confiere muchas ventajas en redes LPWAN para despliegues de IoT. En particular, los distintos SFs disponibles determinan un compromiso entre la duración de las transmisiones (i.e., la tasa de datos) y la sensibilidad en la recepción (i.e., el alcance en distancia), a la vez que generan señales cuasi-ortogonales que pueden ser desmoduladas de forma concurrente por receptores distintos. En segundo lugar, esta tesis contiene el diseño de un protocolo de enrutamiento dinámico vector-distancia para dispositivos Internet of Things (IoT) embebidos con un transceptor LoRa, y propone una métrica para calcular el coste de un camino que aprovecha la capacidad multi-SF para minimizar el tiempo de transmisión de extremo a extremo. El protocolo es evaluado y comparado con otras estrategias de enrutamiento conocidas, analizando su conveniencia para redes LoRa malladas para el IoT.