XX International Symposium of Electrical Engineering

SIE 2023

Simulation of LPWAN LoRa-based networks with TSSFH approach

Abstract

In the Internet of Things, which is revolutionizing technology and society today, LPWAN networks play a fundamental role. Among these, LoRa technology stands out due to the possibility of creating its own private networks with their consequent autonomy. There are several protocols in the medium access layer (MAC) with multiple hops for LoRa, among them the novel TSSFH stands out, for its use of Time Division Multiple Access (TDMA) and multiple spreading factors (SF), as well as for its focus on mitigating the blind spots that appear in one hop LoRa networks. This protocol lacks a practical implementation, so the use of embedded system simulators would facilitate the process of practical implementation of the proposed theory for its application in real systems. The present work focuses on the simulation of networks with a TSSFH approach, with the implementation of the protocol in Contiki NG, based on the analogy proposed in the physical layer and the modifications made in the IEEE 802.15.4 and TSCH libraries. The chosen simulation tool is Cooja, in which the simulations runs allowed to evaluate the behavior of the network based on quality metrics. As a result, the performance of the network behaves as expected for this protocol was obtained, thus validating the changes to the Contiki NG code.

Resumen

En el Internet de las Cosas, que revoluciona hoy día la tecnología y la sociedad, las redes LPWAN juegan un papel fundamental. Dentro de estas, destaca la tecnología LoRa por la posibilidad de crear redes privadas propias con su consiguiente autonomía. Existen varios protocolos en la capa de acceso al medio (MAC, por sus siglas en inglés) con múltiples saltos para LoRa, entre ellos destaca el novedoso TSSFH, por el empleo de Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA, por sus siglas en inglés) y múltiples factores de ensanchamiento (SF, por sus siglas en inglés), así como por su enfoque en la mitigación de los puntos ciegos que aparecen en las redes LoRa de un solo salto. Este protocolo adolece de una implementación práctica, por lo que el empleo de simuladores de sistemas embebidos facilitaría el proceso de implementación práctica de la teoría propuesta para su aplicación en sistemas reales. El presente trabajo se centra en la simulación de redes con enfoque TSSFH, con la implementación del protocolo en Contiki NG, a partir de la analogía que se propone en la capa física y las modificaciones hechas en las bibliotecas de IEEE 802.15.4 y TSCH. La herramienta de simulación elegida es Cooja, en la que las corridas de simulación permitieron evaluar el comportamiento de la red, basado en métricas de calidad. Como resultado se obtuvo que el desempeño de la red se comporta acorde a lo esperado para este protocolo, validando así los cambios al código de Contiki NG.