Réseaux IoT fiables à longue portée. Quel est le coût à payer?

Etat actuel de la technologie

Les réseaux IoT capables de fournir une longue portée sont appelés LPWAN: réseaux étendus à faible puissance. Les réseaux LPWAN sont des réseaux à topologie en étoile composés de périphériques fonctionnant sur batterie, principalement déployés dans des environnements difficiles, où le remplacement de la batterie est coûteux. De plus, les données envoyées par ces appareils consistent en quelques paquets / jour, la plupart du temps sans accusé de réception, afin d'économiser de l'énergie et de respecter les restrictions de cycle de service de 1% imposées par l'ETSI dans les bandes sans licence.

La technologie LoRa développée par Semtech est actuellement l'une des technologies les plus adoptées pour les applications industrielles IdO. Les réseaux LoRa fonctionnent à des débits très faibles, allant de 0,3 kbps à 27 kbps en fonction du facteur d'étalement (SF) utilisé, mais peuvent transmettre jusqu'à 15 km (si le débit binaire le plus faible est utilisé).

La tendance est à la connectivité massive

Ces réseaux à faible coût d’énergie et à cycle de travail réduit doivent offrir un service de haute qualité tout en connectant un nombre considérable d’actifs industriels.

Lorsque vous augmentez le nombre de périphériques sur le réseau, le nombre de collisions de paquets augmente. Si le réseau fonctionne au débit de données le plus rapide (SF7 pour LoRa), ces collisions réduisent les performances du réseau, mais le réseau est toujours actif. Lorsqu'une longue portée est nécessaire, le réseau fonctionne au débit de données le plus bas possible (SF12 pour LoRa). Dans ce cas, un nombre accru de périphériques tue le réseau: aucun des paquets envoyés ne peut arriver à la passerelle.

La fragmentation des paquets: une solution possible

Les réseaux LPWAN sont des réseaux basés sur Aloha, afin que des collisions puissent se produire
à tout moment pendant la transmission d'un paquet et ainsi, plus le paquet est volumineux, plus la probabilité de collision est élevée pendant sa transmission. Toute collision entraîne la perte du paquet entier. Fragmenter le paquet réduira cette perte pour les sections interférentes des paquets en collision, laissant certains fragments du paquet non affectés par cette collision. Ceci peut être vu dans la figure suivante.

Collisions dans les réseaux Aloha: quantité de données perdues lors de l'envoi d'un paquet non fragmenté et fragmenté en 2, respectivement.

L'exécution de simulations sur le réseau confirme le gain de performances obtenu avec la fragmentation. La performance est mesurée par le débit du réseau: le pourcentage de paquets corrects reçus par la passerelle par rapport au nombre de paquets envoyés sur le réseau. Les résultats montrent qu’à SF12, le trafic réseau peut augmenter de 10% à plus de 80% en fragmentant plus de 25 paquets envoyés dans un réseau à 5 nœuds. Plus le réseau est dense, plus les gains obtenus sont importants.

Variation du débit du réseau lors de la fragmentation d'un paquet de 250 octets par rapport au cas où la fragmentation de paquet n'est pas utilisée, pour les réseaux LPWAN à cycle de service limité à 1% composé de 5, 10 et 20 nœuds de capteur fonctionnant à SF12.

Fragmentation de paquets: coûts de mise en oeuvre

Lorsque la fragmentation de paquet est utilisée, la charge utile sera divisée en la quantité de fragments nécessaire et un octet supplémentaire d'en-tête sera ajouté à chaque fragment. Cet en-tête supplémentaire pour chaque fragment entraîne l'augmentation de la consommation d'énergie du réseau et du délai de bout en bout pour l'envoi des données (par rapport au cas où aucune fragmentation de paquet n'est utilisée).

Ce qui a un impact important sur la consommation d'énergie des nœuds de capteur, c'est le facteur d'étalement utilisé, car plus le facteur d'étalement est élevé, plus la durée du paquet et, implicitement, la consommation d'énergie pour son envoi sont élevées.

En cas de fonctionnement sur des réseaux à cycle de service restreint, le délai de bout en bout augmente de près de 120% lors de la fragmentation en 50 fragments par rapport au cas où aucune fragmentation n'est utilisée, pour les réseaux fonctionnant à SF7. Pour les réseaux fonctionnant en SF12, l'augmentation du délai de bout en bout avec le nombre de fragments est beaucoup plus élevée, atteignant une surcharge de 260%, quel que soit le nombre de nœuds du réseau. L'augmentation du retard est causée exclusivement par les en-têtes qui créent un besoin de congé supplémentaire (imposé par la restriction du cycle de service de 1%).

En ce qui concerne le nombre optimal de fragments / paquet à utiliser, il existe un compromis entre la performance de rendement qui peut être obtenue et les coûts supplémentaires en termes de consommation d'énergie et de latence.