Optimización de una red IoT LoRa mediante ajustes realizados en los parámetros avanzados de la red

Abstract

En los últimos años, el IoT ha crecido significativamente, con la tecnología LoRa destacando por su amplio alcance y bajo consumo energético. Itelazpi, una empresa pública vasca, ha desplegado una extensa red LoRa en la CAV, conectando más de 100.000 dispositivos IoT, la gran mayoría siendo dispositivos metering de agua. Esta red ha sido clave para la monitorización y gestión eficiente del agua, permitiendo la recopilación de datos en tiempo real y optimizando la administración de recursos hídricos. Este trabajo de fin de master se enmarca en unas prácticas de cooperación educativa en Itelazpi, desarrolladas durante más de dos años y medio. Este trabajo se propone optimizar la red existente mediante ajustes en los parámetros de calidad de servicio (QoS) del protocolo LoRaWAN, sin necesidad de añadir más hardware. La localidad de Galdakao, con una cobertura adecuada y una alta densidad de dispositivos, ha sido seleccionada como zona de estudio piloto para implementar y validar estas mejoras. Para ello, primero se definirán los parámetros que se van a utilizar para poder medir la calidad de la red, al igual que los métodos de extracción de estos y la forma en la que se presentarán en forma de gráficos para poder analizarlos. Una vez definido esto, se desarrollará una aplicación de escritorio capaz de obtener los gráficos resultantes con la mínima interacción del usuario posible, para así poder automatizar la mayoría del proceso del análisis y ser capaz de realizar estos análisis en cualquier zona de la red. Para poder determinar el impacto de la modificación de ciertos parámetros QoS del protocolo LoRaWAN, primero se realizará un análisis previo a cualquier cambio, para poder observar el estado actual de la red en la zona estudiada. Una vez hecho esto, se modificarán ciertos parámetros QoS en función de los resultados que se quieran obtener, y se volverá a realizar otro análisis, para observar el estado de la red después de haberle aplicado los cambios. Finalmente, tras estudiar el impacto de los cambios realizados, se realizarán otros cambios finales con el fin de maximizar las mejoras obtenidas y paliar el impacto negativo que pueda suponer el cambio de ciertos parámetros. Esto servirá para volver a analizar el estado de la red y obtener conclusiones sobre el impacto del cambio de diferentes parámetros, los cuales serán aplicables al resto de la red.

Azken urteotan, IoT nabarmen hazi da, LoRa teknologia bere irismen zabalagatik eta energia-kontsumo txikiagatik nabarmentzen delarik. Itelazpi euskal enpresa publikoak LoRa sare zabala zabaldu du EAEn, 100.000 IoT gailu baino gehiago konektatuz, gehienak ur-metering gailuak izanik. Sare hori funtsezkoa izan da ura modu eraginkorrean monitorizatzeko eta kudeatzeko, datuak denbora errealean biltzea ahalbidetuz eta baliabide hidrikoen administrazioa optimizatuz. Master amaierako lan hau Itelazpin bi urte eta erdiz baino gehiagoz garatutako hezkuntza-lankidetzako praktika batzuen barruan kokatzen da. Lan honek egungo sarea optimizatzea proposatzen du, LoRaWAN protokoloko zerbitzuaren kalitate-parametroetan (QoS) doikuntzak eginez, hardware gehiago gehitu beharrik gabe. Galdakaoko herria, estaldura egokiarekin eta gailu-dentsitate handiarekin, azterketa-eremu pilotu gisa hautatu da hobekuntza horiek inplementatzeko eta baliozkotzeko. Horretarako, lehenik eta behin, sarearen kalitatea neurtzeko erabiliko diren parametroak definituko dira, bai eta horiek erauzteko metodoak eta analizatu ahal izateko grafiko moduan aurkezteko modua ere. Behin hori definituta, mahaigaineko aplikazio bat garatuko da, lortutako grafikoak erabiltzailearen ahalik eta elkarrekintza txikienarekin lortzeko gai izango dena, horrela analisiaren prozesu gehiena automatizatu ahal izateko eta analisi horiek sareko edozein gunetan egiteko gai izateko. LoRaWAN protokoloko QoS parametro jakin batzuen aldaketaren eragina zehaztu ahal izateko, lehenik eta behin, edozein aldaketaren aurreko analisi bat egingo da, aztertutako eremuan sarearen egungo egoera behatu ahal izateko. Hori egin ondoren, QoS parametro batzuk aldatuko dira lortu nahi diren emaitzen arabera, eta beste analisi bat egingo da, aldaketak aplikatu ondoren sarearen egoera behatzeko. Azkenik, egindako aldaketen eragina aztertu ondoren, beste azken aldaketa batzuk egingo dira, lortutako hobekuntzak maximizatzeko eta parametro jakin batzuk aldatzeak ekar dezakeen inpaktu negatiboa arintzeko. Horrek balio izango du sarearen egoera berriro aztertzeko eta hainbat parametroren aldaketaren inpaktuari buruzko ondorioak ateratzeko. Parametro horiek sarearen gainerako ataletan aplikatu ahal izango dira.

In recent years, IoT has grown significantly, with LoRa technology standing out for its wide range and low power consumption. Itelazpi, a Basque public company, has deployed an extensive LoRa network in the BAC, connecting more than 100,000 IoT devices, the vast majority being water metering devices. This network has been key to efficient water monitoring and management, enabling real-time data collection and optimising water resource management. This master's thesis is part of an educational cooperation internship at Itelazpi, carried out over more than two and a half years. This work aims to optimise the existing network by adjusting the quality of service (QoS) parameters of the LoRaWAN protocol, without the need to add more hardware. The town of Galdakao, with adequate coverage and a high density of devices, has been selected as a pilot study area to implement and validate these improvements. To do this, we will first define the parameters that will be used to measure the quality of the network, as well as the methods for extracting them and the way in which they will be presented in the form of graphs for analysis. Once this has been defined, a desktop application will be developed capable of obtaining the resulting graphs with as little user interaction as possible, in order to automate most of the analysis process and be able to perform these analyses in any area of the network. In order to determine the impact of modifying certain QoS parameters of the LoRaWAN protocol, an analysis will first be performed prior to any changes, in order to observe the current state of the network in the area under study. Once this has been done, certain QoS parameters will be modified according to the results to be obtained, and another analysis will be carried out again, to observe the state of the network after the changes have been applied. Finally, after studying the impact of the changes made, other final changes will be made in order to maximise the improvements obtained and mitigate the negative impact of changing certain parameters. This will serve to re-analyse the state of the network and obtain conclusions on the impact of the change of different parameters, which will be applicable to the rest of the network.