Performance evaluation of LoRaWAN through simulation

In the last years new communication technologies for the Internet of Things are emerging, which offer affordable connectivity to battery-powered end-devices distributed over very large geographical areas. This family of technologies is called Low Power Wide Area Network (LPWAN) and is taking place for applications requiring few bytes of exchanged data over long distances. Typical use cases include Smart City applications, Smart Agriculture, Assets Monitoring and Smart Metering. Among all LPWANs, LoRaWAN is one of the most considered. It is a stack of protocols mainly designed for the Internet of Things, to enable communication of devices over long distances without complex network infrastructures. The main goal of this thesis is to analyse the performance of LoRaWAN by means of simulation. To do so, I developed a simulation tool called PoliLoRaSim to enable faster network design and reduced time-to-market. This tool simulates the data exchange between end-devices and gateways, checking for collisions. Additional features have also been implemented, namely Confirmed communication, Adaptive Data Rate and Mobile nodes. Simulation results show that to increase Data Extraction Rate (percentage of correctly received packets), multiple base stations should be used, while end-device should be initialised with the best possible configuration depending on distance to the closest gateway. It will be shown that optimising the network for minimum airtime, more than 2000 nodes can be handled by a single station while keeping Data Extraction Rate over 90%.

Negli ultimi anni stanno emergendo nuove tecnologie di comunicazione studiate per l'Internet of Things, che offrono connettività a basso prezzo a dispositivi alimentati da piccole batterie e distribuiti in vaste aree geografiche. Questa famiglia di tecnologie passa sotto il nome di Low Power Wide Area Networks (LPWAN) e sta prendendo piede per applicazioni che richiedono lo scambio di pochi byte di informazione lungo grandi distanze. Casi d'uso tipici includono Città Intelligenti, Agricoltura Intelligente, Monitoraggio di beni e telemetria. Tra tutte le tecnologie LPWAN, LoRaWAN è oggi una delle più considerate. Si tratta di una pila di protocolli principalmente sviluppata per l'Internet of Things per abilitare la comunicazione di dispositivi lungo ampie distanze senza l'introduzione di complesse infrastrutture di rete. L'obiettivo principale di questa tesi è l'analisi delle performance di LoRaWAN attraverso la simulazione. Per fare ciò, è stato sviluppato uno strumento di simulazione chiamato PoliLoRaSim, il quale può velocizzare il design di rete e diminuire il time-to-market. Questo strumento simula lo scambio di dati tra dispositivi e gateway, controllando gli eventi di collisione. Sono inoltre disponibili altre funzionalità, come la gestione di comunicazione confermata, Data Rate Adattivo e mobilità dei nodi. I risultati di simulazione mostrano che per incrementare il Data Extraction Rate (DER, percentuale di pacchetti correttamente ricevuti), è consigliabile l'uso di più gateway, mentre i dispositivi dovrebbero essere inizializzati con la miglior configurazione possibile a seconda della distanza dalla stazione più vicina. Verrà mostrato che, ottimizzando la rete per minimizzare il tempo di trasmissione dei nodi, più di 2000 nodi possono essere gestiti da un singolo gateway mantenendo un DER sopra il 90%.