Valutare il consumo energetico in LR-FHSS per l'IoT

Long Range-Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS) è un nuovo metodo usato in LoRaWAN, una tecnologia popolare per collegare dispositivi Internet of Things (IoT). Questo metodo punta a migliorare la comunicazione tra i dispositivi in una rete, soprattutto in luoghi affollati. Tuttavia, il consumo energetico è fondamentale per i dispositivi che si basano su batterie, e non ci sono stati abbastanza studi su come questo metodo influisca sull'uso dell'energia. Questo articolo discute un modello di consumo energetico per LR-FHSS, esaminando tre aspetti principali: uso attuale, durata della batteria ed Efficienza Energetica durante il trasferimento dei dati.

#Introduzione a LoRaWAN e LR-FHSS

Negli ultimi dieci anni, le Reti a Larga Banda a Basso Consumo (LPWAN) sono diventate essenziali per varie applicazioni IoT grazie alle loro capacità di comunicazione a lungo raggio e a basso consumo. LoRaWAN, una delle tecnologie LPWAN dominanti, si prevede avrà un ampio utilizzo, con circa un miliardo di dispositivi che si aspetta si basino su di essa a breve.

Per migliorare LoRaWAN, la LoRa Alliance ha introdotto LR-FHSS, che utilizza tecniche come l'invio di dati in parti più piccole e il cambio di frequenze durante la trasmissione. Questo miglioramento consente a più dispositivi di comunicare simultaneamente senza interferenze, particolarmente utile per i sistemi di comunicazione basati su satellite.

Molti dispositivi IoT, in particolare quelli che utilizzano LR-FHSS, non hanno una fonte di alimentazione continua e dipendono invece da piccole batterie. Questo limite rende vitale valutare l'efficienza energetica di LR-FHSS. Finora non ci sono stati studi dettagliati su questo argomento.

#Modellazione del Consumo Attuale

Questo articolo presenta un modello dettagliato di quanto corrente consuma un dispositivo LR-FHSS. Il modello è derivato da misurazioni reali effettuate in una rete LoRaWAN funzionante che incorporava la tecnologia LR-FHSS. Lo studio si concentra su dispositivi che inviano dati periodicamente, imitandone il comportamento dei sensori comuni.

#Impostazione Sperimentale

La ricerca è stata condotta all'interno di una rete LoRaWAN completa. Includeva un dispositivo, un gateway e un server di rete, tutti supportanti LR-FHSS. Per il dispositivo, è stato utilizzato un kit hardware specifico, insieme a un gateway aggiornato per adattarsi alla nuova tecnologia. Sono stati impiegati diversi strumenti per misurare l'energia consumata dal dispositivo durante vari stati di funzionamento.

#Trasmissioni Non Confermate e Confermate

In modalità di trasmissione non confermata, il dispositivo invia dati e non aspetta una risposta dalla rete. Al contrario, in modalità confermata, il dispositivo si aspetta un riconoscimento dalla rete che i dati siano stati ricevuti correttamente. Questa differenza influisce sul consumo di corrente.

#Trasmissione Non Confermata

Durante la trasmissione non confermata, il dispositivo attraversa diversi stati per inviare dati, inclusi tempi di attesa e finestre di ricezione per i messaggi in arrivo. L'uso di energia durante questi stati varia. La maggior parte del tempo, il dispositivo rimane in modalità sleep a basso consumo, svegliandosi solo per inviare o ricevere messaggi.

#Trasmissione Confermata

Quando si utilizza la trasmissione confermata, il dispositivo consuma più energia perché aspetta di ricevere un riconoscimento dalla rete. A seconda di quanto velocemente viene ricevuto questo riconoscimento-sia nella prima che nella seconda finestra di ricezione-il consumo di corrente varierà.

#Durata della Batteria

La durata della batteria per un dispositivo LR-FHSS è un fattore cruciale, soprattutto per dispositivi che potrebbero trovarsi in posti difficili da raggiungere. Lo studio esamina la durata della batteria prevista in base all'energia consumata e alla capacità della batteria.

#Impatto della Modalità di Trasmissione sulla Durata della Batteria

La durata della batteria è influenzata dal fatto che il dispositivo utilizzi modalità di trasmissione confermata o non confermata. In generale, i dispositivi che utilizzano la modalità non confermata possono ottenere una durata della batteria più lunga in quanto non devono aspettare una risposta, il che richiede più energia.

#Costo Energetico della Trasmissione Dati

Il costo energetico per inviare dati può essere espresso in termini di energia consumata per ogni bit inviato. Questo parametro aiuta a valutare quali modalità di funzionamento sono più efficienti considerando l'uso dell'energia.

#Confronto di Efficienza

Confrontando diverse modalità e impostazioni di trasmissione, diventa chiaro che i dispositivi con una maggiore velocità di trasmissione dati e dimensioni del payload maggiori tendono ad avere un costo energetico inferiore per bit trasmesso. Ad esempio, i dispositivi che utilizzano specifiche velocità di dati LR-FHSS performano meglio in termini di efficienza energetica rispetto a quelli che utilizzano metodi LoRa più vecchi.

#Riepilogo dei Risultati

1. Consumo di Corrente: I dispositivi LR-FHSS hanno un utilizzo di corrente variabile a seconda della loro modalità di trasmissione. La modalità non confermata generalmente consuma meno energia rispetto alla modalità confermata perché salta il periodo di attesa per gli riconoscimenti.

2. Durata della Batteria: La durata della batteria dei dispositivi dipende fortemente dalla loro modalità operativa. Intervalli di trasmissione dati poco frequenti possono estendere significativamente la durata della batteria, specialmente quando si utilizza la modalità non confermata.

3. Costo Energetico: Il costo per inviare dati può essere minimizzato ottimizzando la dimensione del payload dei dati e selezionando velocità di trasmissione più elevate, risultando in un migliore utilizzo complessivo dell'energia.

#Conclusione

Questo articolo offre una valutazione completa delle prestazioni energetiche di LR-FHSS nel contesto dell'IoT. Lo studio evidenzia l'importanza della modellazione del consumo energetico, specialmente mentre i dispositivi IoT proliferano in varie applicazioni. I continui progressi nei metodi di comunicazione come LR-FHSS promettono di migliorare la connettività nell'IoT, ma una considerazione attenta dell'uso energetico rimarrà vitale per il successo di queste tecnologie. I risultati illustrano che ottimizzare i metodi di trasmissione può portare a una maggiore longevità e efficienza energetica dei dispositivi, essenziale per la sostenibilità delle reti IoT.