Оптимізація енергоспоживання у сенсорних вузлах LoRaWAN

Abstract

This article addresses the current problem of reducing the energy consumption of sensor nodes in LoRaWAN networks, widely used in Internet of Things (IoT) systems for long-term autonomous monitoring of the environment, infrastructure facilities, industrial and agricultural objects. Special attention is paid to the analysis of factors that have a decisive influence on the energy consumption of the end devices, in particular radio transmission parameters, data collection and transmission frequency, microcontroller operating modes and the efficiency of sleep mode usage. The paper analyzes modern approaches to improving the energy efficiency of sensor nodes, which are based on adaptive control of the physical and data link layer parameters of the LoRaWAN network, including the selection of the Spreading Factor, bandwidth and transmitter output power. Particular attention is paid to strategies aimed at minimizing the active time of the radio module and the microcontroller by optimizing data acquisition, processing and packet formation algorithms. In addition, the article presents simulation modeling of the operation of sensor nodes in the NS-3 environment, taking into account various traffic load scenarios, node density and different radio channel configuration options. Based on the simulation results, the relationships between node energy consumption, communication range, packet loss probability and device battery lifetime were determined. The obtained results confirm that the correct selection of data transmission rate, transmitter power and the frequency of active communication sessions can significantly increase the energy efficiency of sensor nodes without a significant degradation of communication quality. The proposed approaches can be used in the design of energy-efficient IoT systems based on LoRaWAN for industrial, infrastructure and environmental applications.

Розглянуто актуальну проблему зменшення енергоспоживання сенсорних вузлів у мережах стандарту LoRaWAN, які широко застосовуються в системах Інтернету речей (IoT) для організації довготривалого автономного моніторингу навколишнього середовища, інфраструктурних об"єктів, промислових та сільськогосподарських систем. Особливу увагу приділено аналізу факторів, що мають визначальний вплив на енергоспоживання кінцевих пристроїв, зокрема параметрів радіопередачі, частоти збирання та передавання даних, режимів роботи мікроконтролера та ефективності використання режимів сну. У роботі проаналізовано сучасні підходи до підвищення енергоефективності сенсорних вузлів, які базуються на адаптивному керуванні параметрами фізичного та канального рівнів мережі LoRaWAN, зокрема, вибір коефіцієнта розширення спектра (Spreading Factor), ширини смуги пропускання та вихідної потужності передавача. Окрему увагу приділено стратегіям мінімізації активного часу радіомодуля та мікроконтролера шляхом оптимізації алгоритмів збиранняя, обробки та пакетування даних.

Також у статті проведено імітаційне моделювання роботи сенсорних вузлів у середовищі NS-3 з урахуванням різних сценаріїв навантаження, щільності розміщення вузлів та варіантів налаштування параметрів радіоканалу. За результатами моделювання визначено залежності між енергоспоживанням вузлів, дальністю зв\"язку, імовірністю втрати пакетів та часом автономної роботи пристроїв. Отримані результати підтверджують, що коректний вибір параметрів швидкості передачі даних, вихідної потужності та періодичності активних сеансів зв\"язку дозволяє суттєво підвищити енергоефективність сенсорних вузлів без істотного погіршення показників якості обслуговування. Запропоновані підходи можуть бути використані під час проєктування енергоефективних IoT-систем на базі LoRaWAN для промислових, інфраструктурних та екологічних застосувань.