Exploiting Spatial Reuse Opportunity with Power Control in loco parentis Tree Topology of Low-power and Wide-area Networks

대부모 트리 구조의 저 전력 광역 네트워크를 위한 전력 제어 기반의 공간 재사용 기회 향상 기법

LoRa is a physical layer technology that is designed to provide a reliable long-range communication with introducing CSS and with introducing a loco parentis tree network. Since a leaf can utilize multiple parents at the same time with a single transmission, PDR increases logarithmically as the number of gateways increases. Because of the ALOHA-like MAC of LoRa, however, the PDR degrades even under the loco parentis tree topology similarly to the single-gateway environment. Our proposed method is aimed to achieve SDMA approach to reuse the same frequency in different areas. For that purpose, it elaborately controls each TxPower of the senders for each message in concurrent transmission to survive the collision at each different gateway. The gain from this so-called capture effect increases the capacity of resource-hungry LPWAN. Compared to a typical collision-free controlled-access scheme, our method outperforms by 10-35% from the perspective of the total count of the consumed time slots. Also, due to the power control mechanism in our method, the energy consumption reduced by 20-40%.

LoRa는 처프 확산 스펙트럼과 대부모 트리 구조의 네트워크를 물리 계층에 도입하여 장거리 통신에서 신뢰성을 제공한다. 이 트리 네트워크에서 자식 노드는 여러 부모를 동시에 이용할 수 있기 때문에 네트워크에 동일 부하가 가해질 경우 게이트웨이의 수가 늘어날수록 패킷 전달률은 대수적으로 증가한다. 그러나 알로하와 흡사한 원시적 매체 접근 제어의 한계로 인해 이 환경에서도 부하가 증가할수록 네트워크의 이용률은 유사하게 하락한다. 본 논문에서는 같은 주파수를 같은 시간에 사용하는 공간 분할 다중 접근류의 접근 방식을 제안한다. 본 기법은 같은 시간, 다른 게이트웨이에서 서로 다른 패킷이 생존할 수 있도록 각 노드의 송신 전력을 수신 신호 세기의 분포에 기반하여 조절한다. 이른바 포획 효과의 의도적 활용은 자원에 배고픈 저 전력 광역 네트워크의 수용력을 향상시켰다. 전형적인 완전 배제적 무충돌 제어 접근과 비교해 타임 슬롯의 소모를 30-35% 절감하였다. 또한, 전력 제어의 효과로 인해 20-40%의 에너지 소모량이 절약됨을 확인하였다.