¿Cuál es la "salsa secreta" de SEMTECH que hace que LoRa Picocells sea viable?

Más vale tarde que nunca, supongo.

LoRa "estándar" y específicamente LoRaWAN no están diseñados para admitir muchas redes operadas de forma independiente densamente empaquetadas como lo hace WiFi (por ejemplo)

WiFi tiene un alcance bastante corto, por eso tiene la impresión de que maneja mejor la alta densidad. Cuando el tamaño de una red apenas supera las paredes de un apartamento, es muy fácil que decenas de redes cohabiten en el mismo edificio.

En un entorno urbano denso, el alcance efectivo de WiFi es de unos 20 m. En el mismo entorno, LoRaWAN alcanza alrededor de 1 km. Eso es 2500 veces más área para una "celda" dada (más sobre eso más adelante) y la densidad debe entenderse en relación con la superficie cubierta. Tener cientos de puertas de enlace LoRaWAN por kilómetro cuadrado equivaldría a tener media docena de puntos de acceso WiFi por habitación... y creo que LoRaWAN se diseñó para manejar ese caso mucho mejor que el WiFi estándar¹. ;)

Me gustaría saber cómo los planes de SEMTECH para LoRa Picocells, a una densidad de, digamos, uno por hogar, logran evitar las colisiones, bloqueándose entre sí o interfiriéndose entre sí que puede suceder si dos radios (nodos o puertas de enlace) transmiten en la misma combinación de frecuencia y función de dispersión (SF) a veces lo suficientemente cerca como para superponerse efectivamente.

Nota al margen ².

A nivel de MAC/LLC, LoRaWAN, como WiFi, utiliza una tasa de datos variable para optimizar la capacidad. En LoRaWAN, esta función esencial se denomina "tasa de datos adaptativa" o ADR. En ambos casos, cuando un dispositivo está "cerca" (en el sentido de radio, por lo que tiene un buen margen de enlace) a una puerta de enlace o punto de acceso, se utiliza una tasa de datos más alta, con los siguientes beneficios:

• el dispositivo puede enviar la misma cantidad de datos usando menos energía
• el dispositivo usa menos "tiempo de aire", reduciendo la interferencia

A una velocidad de datos alta, una red LoRaWAN puede usar la modulación FSK en lugar de LoRa, por lo que obtiene el mismo problema de rango/eficiencia espectral/interferencia que con todos los sistemas heredados.

Tanto en LoRaWAN como en WiFi es posible disminuir la potencia RF TX, pero solo se usa cuando la velocidad de datos ha alcanzado el máximo, ya que es preferible, desde el punto de vista de la red/interferencia, transmitir más rápido a la potencia nominal que transmitir a una potencia más baja. potencia y velocidad nominal.

Al igual que el SX1301, el SX1308 es un conjunto de receptores. En cada canal de radio de una red LoRaWAN determinada (ancho de canal de 200 kHz, ancho de banda de modulación LoRa de 125 kHz), el SX130x escucha seis velocidades de datos diferentes simultáneamente. De esa forma, un dispositivo puede enviar una trama a la red sin tener que reservar un intervalo de tiempo o negociar una tasa de datos predeterminada con la red de antemano³, un proceso que consume bastante energía. El SX130x siempre escucha en todos los canales, todas las tasas de datos.

LoRa se ha optimizado principalmente para aplicaciones de baja potencia, baja tasa de datos, baja tasa de actualización y larga distancia. Actualmente, la mejor forma de evitar estas limitaciones es que varios usuarios independientes trabajen con una o varias puertas de enlace que proporcionen servicios.

Una implementación de puerta de enlace hogar por hogar con un rango de kilómetros a decenas de kilómetros sin duda generaría algunos problemas, y dado que la energía a menudo está disponible en los hogares, si hay nodos alimentados externamente, no tendrían la restricción práctica de transmisión infrecuente a conservar la vida de la batería.

Una de las especificidades de LoRaWAN es que el "núcleo" de la red de radio no es la puerta de enlace, sino un nivel superior, el servidor de red. Si las puertas de enlace vecinas están conectadas al mismo servidor, actúan como una sola red. Si no, actúan como redes independientes. En mi opinión, terminas con tres escenarios diferentes:

1. Muchas personas compran puertas de enlace con servidores de red independientes y los usan con sensores dentro y alrededor de su hogar. Cada red independiente usa 3-4 canales e intenta elegir un conjunto de canales diferente al de los vecinos cercanos (como WiFi). En ese escenario, la mayoría de los sensores usan la tasa de datos más alta. Algunos sensores en entornos desfavorables usan velocidades de datos más bajas, pero ninguno está atascado en la velocidad mínima (~300 bits/s). LoRaWAN puede manejar decenas de miles de ciclo de trabajo bajo/velocidad de datos alta por kilómetro cuadrado. La interferencia sería baja.

2. Muchas personas compran puertas de enlace⁴ para conectarse a sensores más allá de su entorno doméstico (p. ej., rastreadores de automóviles o mascotas) y usan redes comunitarias (p. ej., The Things Network) para la coordinación. En este escenario, una alta densidad de puertas de enlace coordinadas permite que todos los sensores en la red comunitaria minimicen la tasa de datos. Los dispositivos pueden moverse libremente en el área cubierta por la red. La confiabilidad del enlace es alta debido a la diversidad espacial proporcionada por las muchas puertas de enlace dispersas. Las cargas útiles de datos cifrados desde y hacia los dispositivos se transportan en la red comunitaria, pero solo el propietario del dispositivo tiene acceso a la carga útil de texto claro. La coordinación regional de frecuencias puede ser manejada ad-hoc por administradores de redes corporativas y comunitarias. La interferencia sería baja suponiendo que solo una pequeña cantidad de redes comparten una región superpuesta.

3. Muchas personas compran puertas de enlace de un solo canal (todos los dispositivos están sujetos a la velocidad de datos más baja), o usan puertas de enlace estándar después de deshabilitar ADR, o usan puertas de enlace estándar con servidores de red independientes para conectarse a una gran cantidad de dispositivos a distancia. En ese escenario, miles de dispositivos están atascados en la velocidad de datos más baja, usando tanto tiempo en el aire como legalmente se les permite usar, agotando su batería rápidamente y sin tener una gran confiabilidad. Las redes privadas corporativas seguirían funcionando para el sitio para el que están diseñadas, pero la red pública corporativa estaría limitada a aplicaciones que pueden manejar pérdidas de paquetes de más del 20 %.

En general, soy bastante optimista, ya que la migración de redes independientes a redes coordinadas requiere poco esfuerzo, no hay cambios en el hardware y es transparente para los dispositivos. Pero si combina una alta densidad de personas y/o sensores, un individualismo feroz (sin querer coordinarse con una comunidad, sin interés en compartir el espectro) y pensamiento mágico (largo alcance = puedo transmitir audio a kilómetros de distancia) está dentro. un tipo de situación de "tragedia de los comunes".

¹: Volviendo a su declaración inicial, para Wi-Fi, cada punto de acceso es normalmente una red de radio independiente, la interferencia es un problema, la alta densidad conduce a velocidades de datos deficientes y el traspaso entre puntos de acceso no se maneja correctamente. En implementaciones de WiFi densas (p. ej., WiFi en estadios, o cuando las empresas de telecomunicaciones usan WiFi para atender a clientes residenciales desde una torre de agua), los puntos de acceso dependen del uso de docenas de canales independientes en la banda de 5 GHz, salsa mágica patentada, coordinación de GPS , handover, etc, con un "servidor" externo encargado de gestionar la red.

²: Semtech no escribe protocolos ni planifica redes. Semtech hace la capa PHY y diseña chips para manejar la capa PHY, punto. LoRaWAN fue un esfuerzo de colaboración desde el principio y ahora está en manos de LoRa Alliance.

³: Es por eso que las llamadas puertas de enlace LoRaWAN de "canales únicos" que puede ver aparecer aquí y allá son una herejía. Tiene que tener esta capacidad simultánea de multicanal y multitasa de datos para poder tener una red robusta y vendible.

⁴: En la práctica, tiene sentido que la comunidad compre gateways en grupo, ya que un puñado de gateways por bloque de ciudad es suficiente para proporcionar cobertura y capacidad para el tipo de aplicaciones para las que se diseñó LoRaWAN.

Vuelva a examinar las suposiciones detrás de su impresión de conflicto. LoRa opera en frecuencias con términos regulatorios que requieren una ocupación temporal muy baja de un canal determinado, límites que las implementaciones sensibles de LoRaWAN hacen aún más estrictos al imponer límites de velocidad por nodo.

No importa si varias puertas de enlace reciben una transmisión de un nodo, solo aquellos seleccionados por un backend para responder deberían intentar transmitir una respuesta (y ni siquiera es un hecho que una transmisión de un nodo provocará una respuesta en todos - solo ciertos tipos lo hacen).

Dado eso, no hay ningún conflicto impulsado por la puerta de enlace a menos que las puertas de enlace respondan de forma aleatoria e incorrecta a los nodos que no forman parte de su WAN particular, o a menos que la lógica de "qué puerta de enlace debe responder" de la infraestructura de back-end de una WAN determinada esté rota.

Todavía podría haber un conflicto si el uso general se vuelve demasiado alto, pero eso es un problema de demasiados nodos, no un problema de demasiadas puertas de enlace. En términos generales, es un problema manejado por reintentos en intervalos que no coinciden, y por la brevedad, la rareza y el salto de frecuencia requerido por la normativa, lo que hace que las posibilidades de que las transmisiones colisionen sean relativamente bajas para empezar.