Desempenho de redes LR-FHSS com resolução assíncrona de colisões

Abstract

Neste trabalho, aplicamos um método de resolução de colisões no Long- Range Frequency-Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS), que é uma nova alternativa ao esquema de modulação Long-Range (LoRa) baseado em espalhamento espectral por chirp Chirp Spread Spectrum (CSS), patenteado pela Semtech. Mais especificamente, modificamos o protocolo Asynchronous Contention Resolution Diversity Aloha (ACRDA) para atender aos requisitos do LR-FHSS e aprimorar o desempenho do LR-FHSS contra possíveis colisões. No esquema proposto, apenas o gateway requer modificações, enquanto a operação do ACRDA é transparente do ponto de vista dos dispositivos, se- guindo a operação regular do LR-FHSS. Nossos resultados, obtidos através de um simulador de eventos discretos, mostram que o esquema proposto su- pera o LR-FHSS regular em vários aspectos, como sucesso médio da rede (até 60% de melhoria nos cenários considerados), transmissão de dados (2 vezes melhor) e número de dispositivos suportados para um nível de confiabilidade alvo (mais de 2 vezes melhor). Por fim, também avaliamos o impacto no desempenho do esquema proposto variando parâmetros do ACRDA como o tamanho da janela e o tamanho do passo, mostrando que um tamanho de janela relativamente pequeno (aproximadamente 2 vezes o tempo no ar de uma única mensagem) é suficiente para se aproximar do sucesso assintótico da rede alcançado por uma janela infinita.

Abstract: In this work, we apply an Aloha protocol in conjunction with LR-FHSS, which is an enhancement of the widely adopted LoRa modulation scheme based on Chirp Spread Spectrum (CSS), patented by Semtech. More specifically, we modify the ACRDA protocol to meet the requirements of LR-FHSS and enhance the performance of LR-FHSS against potential collisions. In the proposed scheme, only the gateway requires modifications, while the ACRDA operation is transparent from the perspective of devices, following the regular operation of LR-FHSS. Our results, obtained through a discrete event simulator, demonstrate that the proposed scheme outperforms regular LR-FHSS in various aspects, such as average network success (up to 60% improvement in the considered scenarios), throughput (2 times better), and the number of supported devices for a target reliability level (more than 2 times better). Finally, we also evaluate the impact on the performance of the proposed scheme of ACRDA parameters such as the window size and the step size, showing that a relatively small window size (approximately 2 times the airtime of a single message) is sufficient to approach the asymptotic maximum network success achieved by an infinite window.