Analisi Matematica e Sperimentale di Tecnologie "Low Power Wide Area Network" in Scenari IoT Avanzati

The Internet of Things (IoT) paradigm is nowadays applied to multiple domains, including Smart Cities, Smart Industry and Smart Agriculture. To support the specific requirements of these scenarios, Low Power Wide Area Network (LPWAN) technologies have been developed, among which Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) and Narrowband IoT (NB-IoT) play a dominant role. This thesis aims at evaluating the performance of these technologies by considering both traditional IoT scenarios and more challenging use cases, such as industrial monitoring or remote drone tracking, which have strict communication requirements in terms of reliability and delay. To estimate the network performance in all these domains, mathematical modeling and network simulations have been used, leveraging the ns-3 lorawan module. From these evaluations, it is appearent that a proper technology configuration has a significant impact on the system’s performance, and that multiple elements should be taken into account when implementing an IoT system. Another aspect considered in this thesis regards the energy efficiency: indeed, although LPWAN technologies are designed to be low power, the evaluation on real testbeds can help in assessing the correctness of the node’s behavior and the impact of the network settings on the device lifetime. Furthermore, most of the IoT devices are currently battery-powered, an approach that is not economically sustainalble, nor environmental friendly. A possible alternative is to implement Green IoT systems by providing IoT nodes with a mechanism that allows them to harvest power from renewable sources. The thesis applies this concept to LoRaWAN devices, and discusses its feasibility by leveraging ns-3 simulations and experiments on real testbeds.

Attualmente il concetto di Internet of Things (IoT) è applicato a diversi ambiti, che spaziano da applicazioni di Città Intelligenti (Smart City) a quelle in ambito industriale e agricolo (Smart Industry e Smart Agriculture). Per rispondere agli specifici requisiti di questi scenari sono state progettate le tecnologie Low Power Wide Area Network (LPWAN), tra le quali Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) e Narrowband IoT (NB-IoT) hanno un ruolo predominante. Obiettivo di questa tesi è valutare le prestazioni di queste tecnologie, considerando sia scenari IoT “tradizionali”, sia casi d’uso più impegnativi, come il monitoraggio di sistemi industriali e la localizzazione di droni da remoto, dove i requisiti di comunicazione in termini di affidabilità e latenza sono più stringenti. Per stimare le prestazioni di rete in questi ambiti sono stati impiegati modelli matematici e simulazioni di rete che utilizzano il modulo lorawan di ns-3. Da queste valutazioni emerge che un’appropriata configurazione della tecnologia di comunicazione ha un impatto significativo sulle prestazioni del sistema, e che vari fattori devono essere considerati quando si implementa un sistema IoT. Un altro aspetto considerato in questa tesi è quello del consumo energetico: infatti, nonostante le tecnologie LPWAN siano progettate per avere basso consumo, la valutazione in sistemi reali può contribuire a verificare il corretto comportamento del nodo e l’impatto dei settaggi di rete sul ciclo di vita del dispositivo. Inoltre, molti dispositivi IoT sono attualmente alimentati a batterie, un approccio poco sostenibile economicamente e con grande impatto ecologico. Pertanto, una possibile alternativa è implementare sistemi di Green IoT, equipaggiando i nodi IoT con meccanismi che permettono di assorbire energia da sorgenti rinnovabili. La tesi applica questo concetto a dispositivi LoRaWAN e ne discute la fattibilità utilizzando simulazioni ns-3 e esperimenti con dispositivi reali.