Evaluation of relay functionality in LoRaWAN: trade-offs in energy consumption

Abstract

Com o crescimento do número de dispositivos LoRaWAN implantados em campo ao redor do mundo, em uma ampla variedade de aplicações, emergem desafios recorrentes relacionados às limitações da topologia em estrela comumente adotada nas redes. A ausência de cobertura adequada em áreas com elevada presença de obstáculos compromete a infraestrutura da rede, resultando em falhas na transmissão de mensagens por parte dos sensores instalados. Uma solução imediata frequentemente considerada é a adição de gateways com o intuito de ampliar a área de cobertura. No entanto, essa abordagem revela-se ineficiente, implicando em custos significativamente elevados para a aplicação. Como alternativa, a LoRa Alliance propôs uma solução ao introduzir a funcionalidade de relay (repetidor) no protocolo LoRaWAN. O presente estudo tem como objetivo examinar de forma aprofundada essa nova funcionalidade, com ênfase na análise do consumo energético tanto nos relays quanto nos endpoints. Para isso, realiza-se uma comparação com um método alternativo baseado no alongamento do preâmbulo dos pacotes de transmissão. A análise é conduzida por meio de estimativas de consumo energético fundamentadas no ToA de cada pacote transmitido e recebido. Além disso, são discutidos os trade-offs associados aos parâmetros da tecnologia LoRa, bem como às características dos cristais osciladores empregados na montagem dos dispositivos. Por fim, o estudo apresenta uma relação observada entre o tamanho do preâmbulo dos pacotes enviados pelos endpoints e a periodicidade das tarefas de CAD realizadas pelos relays, sinalizando uma potencial linha de pesquisa futura voltada à investigação mais aprofundada dessa correlação no que diz respeito ao consumo energético entre os diferentes dispositivos da rede.

Abstract: With the increasing number of LoRaWAN devices deployed in the field worldwide, across a wide range of applications, recurring challenges have emerged due to the limitations of the commonly adopted star topology in such networks. The lack of adequate coverage in areas with numerous physical obstacles compromises network infrastructure, resulting in unsuccessful message transmissions by field-deployed sensors. A frequently considered immediate solution is the addition of more gateways to extend coverage. However, this approach often proves inefficient and leads to significantly increased application costs. As an alternative, the LoRa Alliance has proposed a solution through the introduction of the relay functionality in the LoRaWAN protocol. This study aims to thoroughly examine this new feature, focusing on energy consumption analysis of both relays and endpoints. A comparative assessment is conducted against an alternative method involving the extension of the packet preamble during transmissions. The analysis is based on energy consumption estimates derived from the ToA of each transmitted and received packet. Furthermore, the study discusses trade-offs associated with LoRa parameter configurations and the characteristics of the crystal oscillators used in device design. Finally, a relationship is identified between the preamble length of packets sent by endpoints and the periodicity of CAD operations performed by relays. This correlation points to a promising direction for future research, aiming at a deeper investigation into the energy consumption dynamics between the various devices within the network.