Towards improving the scalability of LR-FHSS: transmission policies and performance analysis

Abstract

As Redes de Área Ampla de Baixo Consumo (LPWANs) revolucionaram a conectividade da Internet das Coisas (IoT) ao possibilitar comunicações de longa distância com dispositivos de baixo custo e consumo mínimo de energia. O LoRaWAN, atualmente a principal tecnologia de redes LPWAN, é um protocolo de rede que opera sobre tecnologias físicas como o Long Range (LoRa) e, mais recentemente, o long range?frequency hopping spread spectrum (LR-FHSS). O LoRa é uma modulação baseada em chirp spread spectrum (CSS) amplamente utilizada por oferecer longas distâncias e baixo consumo de energia. Já o LR-FHSS, introduzido de forma mais recente no padrão LoRaWAN, foi projetado para aumentar a escalabilidade da rede em cenários de alta densidade em relação à modulação LoRa convencional. No entanto, a tecnologia ainda requer avanços para atingir maior maturidade, especialmente no que diz respeito à confiabilidade em redes massivas. Este estudo analisa três técnicas de transmissão de mensagens ? concatenação, retransmissão embutida e replicação ? em redes LR-FHSS sob diferentes cargas de tráfego, utilizando abordagens teóricas e baseadas em simulação. A concatenação agrupa várias mensagens em um único pacote, reduzindo o número de transmissões, a sobrecarga de pacotes e o congestionamento da rede. Por outro lado, aumenta a latência, sendo mais adequada para aplicações tolerantes a atraso. A retransmissão embutida anexa cópias de mensagens anteriores aos pacotes subsequentes, equilibrando confiabilidade e atraso, com bom desempenho em redes de baixa a média densidade. A replicação, que transmite cópias independentes de um mesmo pacote, melhora a confiabilidade, mas pode aumentar o congestionamento da rede, tornando-se menos eficaz em ambientes com alta densidade de dispositivos. Os resultados indicam que a concatenação apresenta uma vantagem clara em relação às demais técnicas analisadas nos cenários estudados, alcançando até 44% de melhoria na probabilidade de sucesso da entrega de mensagens em comparação com a transmissão LR-FHSS convencional em redes com 50.000 dispositivos.

Abstract: Low Power Wide Area Networks (LPWANs) have revolutionized Internet of Things (IoT) connectivity by enabling long-range communication with {low cost end devices and} minimal power consumption. LoRaWAN, currently the leading LPWAN technology, is a network protocol that operates on physical layer technologies such as Long Range (LoRa) and, more recently, long range?frequency hopping spread spectrum (LR-FHSS). LoRa is a modulation based on chirp spread spectrum (CSS), widely used for providing long-range communication with low energy consumption. LR-FHSS, introduced more recently into the LoRaWAN standard, was designed to improve network scalability in high-density scenarios compared to the conventional LoRa modulation. There remains a need for research to mature the technology further, particularly in massive networks, where ensuring reliability remains a challenge. This study examines three message transmission techniques, concatenation, embedded retransmission, and replication, in LR-FHSS networks {under different traffic loads}, using both theoretical and simulation-based approaches. Concatenation merges multiple messages into a single payload, reducing the number of transmissions, {packet overhead}, and alleviating network congestion. However, it increases latency, making it more suitable for delay-tolerant applications. Embedded retransmission attaches copies of previous messages to subsequent packets, balancing reliability and delay, and performing well in low to moderate-density networks. Replication, which involves transmitting independent copies of the same packet, enhances reliability but can contribute to network congestion, limiting its effectiveness in high-density environments. The results indicate that concatenation offers a clear advantage over the other investigated techniques in the analyzed scenarios, while achieving up to 44% higher message success probability compared to regular LR-FHSS at 50,000 end devices.