ESTUDO E ANÁLISE DE ESTRATÉGIAS DE POSICIONAMENTO DE GATEWAY LORA E QUANTIFICAÇÃO DE QOS EM FUNÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DE CONFIGURAÇÃO LORAWAN
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Data
2022-09-25
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Resumo
As redes de longa distância de baixa potência (LPWAN) são tecnologias que ganharam
interesse na pesquisa e comunidade industrial para dispositivos e aplicações de Internet
das Coisas (IoT) assim como o protocolo LoRa Wide Area Network (LoRaWAN) que
permite a implementação de aplicações de redes de longo alcance e baixa potência para
a IoT. A técnica de comunicação de rádio que adota o protocolo LoRaWan, comumente
conhecida como Long Range (Lora), utiliza modulação por espalhamento espectral de chirp
(chirp spread spectrum - CSS). Esse esquema de modulação utiliza diversos parâmetros de
transmissão como Spreading Factor (SF), Payload Size (PS), Bandwidth (BW) e Coding
Rate (CR) permitindo uma comunicação bidirecional, possibilitando ao LoRaWAN o uso
de algoritmo adaptativo, o Adaptive Data Rate (ADR), para atribuir esses parâmetros
dinamicamente explorando as vantagens do LoRa. No entanto, o sistema de controle
ADR não ajusta os parâmetros considerando a evolução da Qualidade de Serviço (QoS)
das aplicações, sendo o planejamento da rede e a otimização considerados problemas
significativos impactando no desempenho e nos custos das despesas de capital (CAPEX)
e operacionais (OPEX). Nesse contexto, este trabalho propõe determinar a quantidade
de diferentes QoS, analisando as características do conjunto de configurações LoRaWAN
através da combinação dos métodos gap statistic com algoritmo Fuzzy C-Means (FCM)
e elbow com K-means. Adicionalmente, realizou-se agrupamento com FCM baseado nas
figuras de mérito Bit Error Rate (BER), Received Signal Strenght Indicator (RSSI) e Time
on Air (ToA) e desenvolver um estudo comparativo de estratégias de posicionamento
de gateways (GW) que usam os algoritmos FCM, Gustafson-Kessel (GK) e K-means;
adicionando a estratégia Grid25 que segmenta o cenário em grades de 2km, posicionando o
GW no centro, e outra Rand22 que dispõe os GWs aleatoriamente, avaliando as métricas
RSSI, Signal to Noise Ratio (SNR), delay e distância, possibilitando uma redução do
número de GW e dos custos CAPEX e OPEX como também estabelecer o desempenho
das estratégias para as métricas. Nos resultados, foram determinados agrupamentos
adequados conforme os diferentes tipos de QoS baseado na combinação dos métodos,
enquanto o algoritmo FCM permitiu agrupar as aplicações com QoS similares. O estudo
comparativo mostrou uma redução da quantidade de GW e dos custos CAPEX e OPEX
com aproximadamente a mesma proporção de entrega em relação ao Grid25; as estratégias
FCM e GK obtiveram desempenho superior, a partir de 22 GW, para as métricas RSSI
e SNR em relação ao Kmeans, já a FCM e Kmeans apresentaram menores distâncias e
delay comparado ao GK a partir de 18 GW.
ABSTRACT
Low Power Wide Area Networks (LPWAN) are technologies that have gained interest in the
research and industrial community for Internet of Things (IoT) devices and applications, as
well as the LoRa Wide Area Network (LoRaWAN) protocol that allows the implementation
of long-range, low-power networks for the IoT. Its modulation scheme, Long Range (LoRa),
uses several transmission parameters such as Spreading Factor (SF), Payload Size (PS),
Bandwidth (BW), and Coding Rate (CR) allowing bidirectional communication, allowing
LoRaWAN to use the adaptive algorithm, the Adaptive Data Rate (ADR), to assign these
parameters dynamically exploiting the advantages of LoRa. However, the ADR control
system does not adjust the parameters considering the evolution of the Quality of Service
(QoS) of the applications, being the network planning and optimization are considered
significant problems impacting the performance and the costs of capital expenses (CAPEX)
and operations (OPEX). In this context, this work proposes to determine the number of
different QoS by analyzing the characteristics of the LoRaWAN configuration set through
the combination of the gap statistic methods with the Fuzzy C-Means (FCM) and elbow
algorithms. With K-means. Additionally, grouping was performed with FCM based on the
metrics Bit Error Rate (BER), Received Signal Strength Indicator (RSSI) and Time on
Air (ToA) and develop a comparative study of gateway positioning strategies (GW) that
use the FCM, Gustafson-Kessel (GK) and K-means algorithms; adding a strategy that
segments the scenario into 2km grids, positioning the GW in the center, and another that
arranges the GWs randomly, evaluating the metrics RSSI, Signal to Noise Ratio (SNR),
delay and distance, allowing a reduction the number of GW and CAPEX and OPEX costs
as well as establishing the performance of the strategies for the metrics. In the results,
they determined suitable groupings according to the different types of QoS based on the
combination of methods, while the FCM allowed grouping the applications with similar
QoS. The comparative study showed a reduction in the amount of GW and CAPEX and
OPEX costs with approximately the same proportion of delivery about Grid25; the FCM
and GK strategies obtained superior performance, from 22 GW, for the RSSI and SNR
metrics about Kmeans, whereas the FCM and Kmeans presented lower distances and delay
compared to the GK from 18 GW.
Descrição
Orientador: Prof. Dr. José Valdemir dos Reis Júnior
Examinador interno: Prof. Dr. Anderson Leonardo Sanches
Examinador interno: Prof. Dr. Erico Leão Meneses
Examinador interno: Prof. Dr. Francisco Airton Pereira da Silva