[论文解读] LoRaWAN in the Wild: Measurements from The Things Network

Norbert Blenn, Fernando Kuipers|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2017

IoT Networks and Protocols参考文献 6被引用 101

一句话总结

本论文对一个活跃的 LoRaWAN 网络（TTN）进行了大规模测量，分析有效载荷、射频质量、时空使用情况以及通过实证数据和仿真得到的分组丢失情况。

ABSTRACT

The Long-Range Wide-Area Network (LoRaWAN) specification was released in 2015, primarily to support the Internet-of-Things by facilitating wireless communication over long distances. Since 2015, the role-out and adoption of LoRaWAN has seen a steep growth. To the best of our knowledge, we are the first to have extensively measured, analyzed, and modeled the performance, features, and use cases of an operational LoRaWAN, namely The Things Network. Our measurement data, as presented in this paper, cover the early stages up to the production-level deployment of LoRaWAN. In particular, we analyze packet payloads, radio-signal quality, and spatio-temporal aspects, to model and estimate the performance of LoRaWAN. We also use our empirical findings in simulations to estimate the packet-loss.

研究动机与目标

• 在 The Things Network 上对实际 LoRaWAN 使用在 8 个月期间进行表征。
• 分析有效载荷大小、射频质量指标（RSSI/SNR）和设备活动分布。
• 建立并估算网络性能模型，包括通过仿真进行距离估计和分组丢失。
• 考察监管/运营影响并就高效 LoRaWAN 部署提供指南。

提出的方法

• 使用通用 NwkSKey 的 ABP，分析 TTN（2015年12月–2016年7月）网关收集的数据。
• 计算网关接收的帧的统计信息（计数、唯一帧、设备、网关）及数据集大小。
• 分析来自收集帧的 RSSI、SNR 和有效载荷分布。
• 通过受控测试对扩频因子和发射功率对分组接收的影响进行经验评估。
• 通过自由空间损耗和带有 GPS 定位信息的帧估算设备到网关的距离。
• 开发一个仿真器以在冲突和确认下行流量情形下估算分组丢失。

实验结果

研究问题

• RQ1 TTN 上 LoRaWAN 帧的实际有效载荷大小及分布是多少？
• RQ2 在大规模的实时 LoRaWAN 部署中，RSSI、SNR 和扩频因子如何变化？
• RQ3 在密集 LoRaWAN 环境中，哪些因素驱动分组丢失和冲突，以及如何缓解？
• RQ4 基于路径损耗的距离估算与实际网关距离相符程度如何，以及城市几何对其的影响？
• RQ5 确认/下行流量对网关空口时间与工作时段比合规性的运营影响有哪些？

主要发现

• 大多数唯一有效载荷较小，93.7% 小于 50 字节，50% 小于 19 字节；平均有效载荷大小为 18 字节。
• 设备活动存在显著偏斜：呈幂律样分布，少量设备发送大量数据包，众多设备发送较少。
• 大多数帧被单个网关接收（94.8%），单帧可被多达 31 个网关接收。
• 欧洲主导的使用（868 MHz 频段 89.4%），常用信道为 868.1/868.3/868.5 MHz，EU 数据速率（DR0–DR5）。
• 扩频因子使用偏向 SF7 125 kHz；较高的 SF 会增加 airtime 并影响链路可靠性。
• 及时的测量与测试显示，增大 SF 和/或发射功率可降低帧丢失，而高占空比/确认下行流量会增加冲突。
• 仿真表明在较高数据包速率下冲突率显著，提示使用 ADR 和信道规划以缓解 airtime 压力。
• 确认下行流量显著增加网关 airtime，并可能违反工作时段/占空比规则；建议包括尽量减少确认帧和下行。