[論文レビュー] D2D-aided LoRaWAN LR-FHSS in Direct-to-Satellite IoT Networks

Alireza Maleki, Ha H. Nguyen+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

IoT Networks and Protocols被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、実際のシャドウド・ライス fading 条件下でネットワーク容量を向上させるために、直接軌道間衛星 IoT ネットワークにおける LoRaWAN における D2D ベースの LR-FHSS 方式を提案する。ネットワークコーディングと D2D リレーリングを統合することにより、1 時間スロットあたり 1〜2 回の追加送信で、DR6 と DR5 においてそれぞれ 249.9% および 150.1% の容量向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we present a device-to-device (D2D) transmission scheme for aiding long-range frequency hopping spread spectrum (LR-FHSS) LoRaWAN protocol with application in direct-to-satellite IoT networks. We consider a practical ground-to-satellite fading model, i.e. shadowed-Rice channel, and derive the outage performance of the LR-FHSS network. With the help of network coding, D2D-aided LR-FHSS transmission scheme is proposed to improve the network capacity for which a closed-form outage probability expression is also derived. The obtained analytical expressions for both LR-FHSS and D2D-aided LR-FHSS outage probabilities are validated by computer simulations for different parts of the analysis capturing the effects of noise, fading, unslotted ALOHA-based time scheduling, the receiver's capture effect, IoT device distributions, and distance from node to satellite. The total outage probability for the D2D-aided LR-FHSS shows a considerable increase of 249.9% and 150.1% in network capacity at a typical outage of 10^-2 for DR6 and DR5, respectively, when compared to LR-FHSS. This is obtained at the cost of minimum of one and maximum of two additional transmissions per each IoT end device imposed by the D2D scheme in each time-slot.

研究の動機と目的

• Duty cycle 制約と ALOHA ベース MAC による従来の LoRaWAN が、密集した直接軌道間衛星 IoT デプロイメントにおいて限界に達することを解決する。
• 従来の LR-FHSS 研究が理想状態のチャネルを仮定しているのを克服し、現実的なシャドウド・ライス fading とノイズ効果をモデル化する。
• デバイス間（D2D）協調とネットワークコーディングを用いて、低地球軌道（LEO）衛星ベース IoT ネットワークにおけるネットワークの信頼性と容量を向上させる。
• 標準 LR-FHSS と D2D ベース LR-FHSS の両方におけるアウトージ確率の閉形式式を導出することで、理論的性能評価を可能にする。

提案手法

• 近接する IoT デバイスが信号をリレーすることで、衛星アップリンクリンクにおける受信ダイバーシティと信頼性を向上させる D2D ベース LR-FHSS 送信方式を提案する。
• D2D リレーノードでネットワークコーディングを統合し、複数パケットを結合して冗長な送信を削減しながらデータ整合性を維持する。
• 地上〜衛星リンクをシャドウド・ライスフェージングチャネルでモデル化し、現実的なパスロスと multipath フェージング効果を反映する。
• SINR（信号対インターフェレンス＋ノイズ比）のラプラス変換に基づくアプローチを用いて LR-FHSS のアウトージ確率を導出する。これにはキャプチャ効果とアンスロット ALOHA スケジューリングを組み込む。
• 集約インターフェレンスを一般化されたガンマ分布でモデル化し、無限級数と逐次超幾何関数（confluent hypergeometric functions）を用いてインターフェレンス電力の累積分布関数（CDF）を導出する。
• 逆ラプラス変換とクーマー関数（1F1）を用いてパケットキャプチャ確率を定式化し、D2D ベース LR-FHSS システムにおけるアウトージ性能の閉形式解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理想的な仮定と比較して、現実のシャドウド・ライスフェージングとノイズ条件下で、直接軌道間 LoRaWAN における LR-FHSS のアウトージ性能はどの程度劣化するか？
• RQ2 ネットワークコーディングを併用した D2D 協調は、衛星ベース IoT ネットワークにおける LR-FHSS のネットワーク容量をどの程度向上できるか？
• RQ3 受信機のキャプチャ効果とアンスロット ALOHA メディアアクセスが、D2D ベース LR-FHSS システムにおけるアウトージ確率に与える解析的影響は何か？
• RQ4 実用的なフェージングとインターフェレンスモデル下で、D2D ベース LR-FHSS のアウトージ確率に対する閉形式式を導出できるか？

主な発見

• D2D ベース LR-FHSS 方式は、10⁻² のアウトージ確率において、標準 LR-FHSS と比較して DR6 で 249.9% のネットワーク容量向上を達成する。
• DR5 においても同じアウトージ閾値下で 150.1% の容量向上を示し、データレートにかかわらず顕著な性能向上を実証する。
• 標準 LR-FHSS と D2D ベース LR-FHSS の両方における導出された閉形式アウトージ確率式は、シミュレーションにより検証され、ノイズ、フェージング、距離、デバイス配置の影響を含め、高い正確性を確認した。
• D2D 協調に必要な追加送信は 1〜2 回/デバイス/タイムスロットにとどまるため、オーバーヘッドが非常に低い。
• キャプチャ効果と現実的なインターフェレンスモデルの組み込みにより、ノイズやフェージングを無視した従来の研究と比較して、アウトージ解析の正確性が著しく向上した。
• 一般化されたガンマ分布と逐次超幾何関数（1F1）の使用により、D2D ベースシステムにおけるインターフェレンスとアウトージの解析的モデリングが、実用的かつ高精度に可能となった。