Spoľahlivé siete internetu vecí s veľkým dosahom. Aké sú náklady na zaplatenie?

Aktuálny stav technológie

Siete IoT schopné poskytovať veľký dosah sú známe ako LPWAN: Siete s nízkou spotrebou energie v širokom okolí. LPWAN sú siete s topológiou založenou na hviezdach, ktoré sa skladajú zo zariadení poháňaných batériami, väčšinou nasadených v drsných prostrediach, kde je výmena batérie nákladná. Údaje zasielané týmito zariadeniami navyše pozostávajú z niekoľkých paketov / deň, väčšinou bez toho, aby boli uznané, ako spôsob, ako ušetriť energiu a splniť obmedzenia týkajúce sa 1% colného cyklu uložené ETSI v pásmach bez licencie.

Technológia LoRa vyvinutá spoločnosťou Semtech je v súčasnosti jednou z najprijateľnejších technológií pre priemyselné aplikácie IoT. Siete LoRa pracujú pri veľmi nízkych prenosových rýchlostiach, v rozsahu od 0,3 kbps do 27 kbps v závislosti od používaného faktora šírenia (SF), ale sú schopné prenášať až do 15 km (ak používajú najmenšiu rýchlosť prenosu údajov).

Trend smeruje k masívnemu pripojeniu

Tieto nízko nákladové energetické siete a siete s obmedzeným pracovným cyklom sú výzvou, aby ponúkali vysokú kvalitu služieb a zároveň spájali obrovské množstvo priemyselných aktív.

Pri zvyšovaní počtu zariadení v sieti sa zvyšuje počet kolízií paketov. Ak sieť pracuje s najrýchlejším dátovým tokom (SF7 pre LoRa), tieto kolízie znižujú výkon siete, ale sieť je stále nažive. Ak je potrebný dlhý dosah, sieť pracuje pri najnižšej možnej rýchlosti prenosu dát (SF12 pre LoRa). V takom prípade sieť zabíja väčší počet zariadení: žiadny z odosielaných paketov nemôže doraziť k bráne.

Fragmentácia paketov: možné riešenie

Siete LPWAN sú siete založené na Aloha, takže môže dôjsť ku kolíziám
kedykoľvek počas prenosu paketu, a teda čím väčší je paket, tým vyššia je pravdepodobnosť kolízie počas jeho prenosu. Akákoľvek kolízia spôsobí stratu celého paketu. Fragmentácia paketu zníži túto stratu na rušivé úseky kolíznych paketov, pričom niektoré z fragmentov paketu zostanú touto zrážkou nedotknuté. Toto je vidieť na nasledujúcom obrázku.

Zrážky v sieťach Aloha: množstvo stratených dát pri odosielaní paketu bez fragmentácie a fragmentácie v poradí 2.

Spustenie sieťových simulácií potvrdzuje nárast výkonu pri použití fragmentácie. Výkon je meraný sieťovou priepustnosťou: percento správnych paketov prijatých bránou v pomere k počtu paketov odoslaných v sieti. Výsledky ukazujú, že v SF12 sa sieťová dobrá priechodnosť môže zvýšiť z 10% na viac ako 80% fragmentáciou do viac ako 25 každého paketu odoslaného v sieti s 5 uzlami. Čím je sieť hustejšia, tým dôležitejšie sú zisky.

Variácia dobrého stavu siete pri fragmentácii paketu 250 bajtov vzhľadom na prípad, keď sa fragmentácia paketov nepoužíva, pre siete LPWAN s obmedzeným 1% povinným cyklom zložené z 5, 10 a 20 senzorových uzlov pracujúcich v SF12.

Fragmentácia paketov: náklady na implementáciu

Keď sa použije fragmentácia paketov, užitočné zaťaženie sa rozdelí na množstvo potrebných fragmentov a ku každému fragmentu sa pridá jeden ďalší byte záhlavia. Táto dodatočná hlavička pre každý fragment spôsobuje zvýšenie spotreby energie v sieti a oneskorenie medzi koncovými bodmi pri odosielaní údajov (v porovnaní s prípadom, keď sa nepoužíva fragmentácia paketov).

Čo má veľký vplyv na spotrebu energie v senzorových uzloch, je použitý rozptyľovací faktor, pretože čím je vyšší rozptyľovací faktor, tým vyššia je doba trvania paketu a implicitne aj spotreba energie na jeho vyslanie.

Pri prevádzke v sieťach s obmedzeným pracovným cyklom sa oneskorenie medzi koncovými bodmi zvyšuje o takmer 120%, keď sa fragmentuje 50 fragmentov v porovnaní s prípadom, keď sa fragmentácia nepoužíva, pre siete prevádzkované v SF7. V prípade sietí pracujúcich na SF12 je zvýšenie oneskorenia medzi koncovými bodmi s počtom fragmentov oveľa vyššie a dosahuje réžiu 260%, nezávisle od počtu uzlov v sieti. Zvýšenie oneskorenia je spôsobené výhradne záhlaviami, ktoré vytvárajú potrebu dodatočného voľna (uloženého obmedzením 1% pracovného cyklu).

Pokiaľ ide o optimálny počet fragmentov / paketov, ktoré sa majú použiť, existuje kompromis medzi výkonom, ktorý možno dosiahnuť, a dodatočnými nákladmi, pokiaľ ide o spotrebu energie a latenciu.