[논문 리뷰] D2D-aided LoRaWAN LR-FHSS in Direct-to-Satellite IoT Networks

Alireza Maleki, Ha H. Nguyen외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 08.

IoT Networks and Protocols인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실존적인 그림자-Rice fading 조건 하에서 위성으로 직접 연결되는 IoT 네트워크에서 LoRaWAN의 네트워크 용량을 향상시키기 위해 D2D 보조 LR-FHSS 방식을 제안한다. 네트워크 코드와 D2D 릴레이를 통합함으로써, 각 시간슬롯당 장치당 추가로 1~2회 전송만으로도 DR6 및 DR5에 대해 각각 249.9% 및 150.1%의 용량 증가를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• -duty cycle 제약과 ALOHA 기반 MAC로 인해 기존 LoRaWAN이 고밀도의 위성으로 직접 연결되는 IoT 환경에서 네트워크 용량이 제한됨을 해결하기 위해.
• 이전의 LR-FHSS 연구들이 이상적인 채널을 가정하는 데서 비롯된 한계를 극복하기 위해, 실존적인 그림자-Rice fading과 노이즈 영향을 모델링하기 위해.
• 장거리 궤도(Low-Earth Orbit, LEO) 위성 기반 IoT 네트워크에서 장치 간(D2D) 협업과 네트워크 코드를 활용하여 네트워크 신뢰성과 용량을 향상시키기 위해.
• 표준 LR-FHSS와 D2D 보조 LR-FHSS의 외상 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여 이론적 성능 평가를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 근처의 IoT 장치들이 신호를 릴레이하여 위성 업링크 링크에서 수신 다양성과 신뢰성을 향상시키는 D2D 보조 LR-FHSS 전송 방식을 제안한다.
• D2D 릴레이 노드에서 네트워크 코드를 통합하여 다수의 패킷을 결합하고 중복 전송을 줄이며 데이터 무결성을 유지한다.
• 지상에서 위성으로의 링크를 그림자-Rice fading 채널을 사용하여 모델링하여 실존적인 경로 손실과 다중 경로 페이딩 영향을 반영한다.
• 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)에 기반한 라플라스 변환 기반 접근법을 사용하여 LR-FHSS의 외상 확률을 유도하며, 캡처 효과와 슬롯 없는 ALOHA 스케줄링을 통합한다.
• 집합 간섭을 일반화된 감마 분포로 모델링하고, 무한 급수와 구형 초함수를 통해 간섭 전력의 누적분포함수(CDF)를 유도한다.
• 역 라플라스 변환과 쿠머 함수(1F1)를 사용하여 패킷 캡처 확률을 수식화함으로써, D2D 보조 LR-FHSS 시스템에서 외상 성능의 폐쇄형 분석을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상적인 가정과는 달리 실존적인 그림자-Rice fading과 노이즈 조건 하에서 위성으로 직접 연결되는 LoRaWAN의 LR-FHSS 외상 성능는 어떻게 열악해지는가?
• RQ2 네트워크 코드와 함께 D2D 협업을 통해 위성 기반 IoT 네트워크에서 LR-FHSS의 네트워크 용량은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ3 수신기의 캡처 효과와 슬롯 없는 ALOHA 매체 접근 방식은 D2D 보조 LR-FHSS 시스템의 외상 확률에 어떤 분석적 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 페이딩과 간섭 모델 하에서 D2D 보조 LR-FHSS에 대한 외상 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• D2D 보조 LR-FHSS 방식은 표준 LR-FHSS 대비 DR6에서 10⁻² 외상 확률 조건에서 네트워크 용량을 249.9% 향상시킨다.
• DR5의 경우 동일한 외상 임계값 하에서 네트워크 용량이 150.1% 향상되어 다양한 데이터 속도에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 표준 LR-FHSS와 D2D 보조 LR-FHSS에 대한 유도된 폐쇄형 외상 확률 표현식은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 노이즈, 페이딩, 거리, 장치 분포 영향 모두에서 정확성을 확인했다.
• 성능 향상은 각 시간슬롯당 장치당 추가로 1~2회 전송만으로 달성되어 D2D 협업에 대한 오버헤드가 매우 낮음을 시사한다.
• 캡처 효과와 실존적인 간섭 모델링을 통합함으로써, 이전 연구들이 노이즈나 페이딩을 忽시한 것과 비교해 외상 분석의 정확성이 크게 향상되었다.
• 일반화된 감마 분포와 구형 초함수(1F1)의 사용은 D2D 보조 시스템에서 간섭과 외상의 해석 가능하면서도 정밀한 분석 모델링을 가능하게 한다.