Análise experimental da influência dos parâmetros de comunicação Lorawan no consumo energético e no desempenho da comunicação em dispositivos IOT

Abstract

A crescente adoção de dispositivos da Internet das Coisas (IoT) tem impulsionado a demanda por tecnologias de comunicação sem fio capazes de proporcionar ampla cobertura geográfica e baixo consumo energético, especialmente em aplicações ali- mentadas por bateria. Nesse contexto, a tecnologia LoRaWAN destaca-se como uma das principais soluções de redes LPWAN, permitindo comunicações de longa distân- cia com reduzida demanda energética. Entretanto, parâmetros de comunicação como taxa de dados (Data Rate) e tamanho do pacote transmitido influenciam diretamente tanto no consumo energético quanto no desempenho da comunicação. Diante disso, este trabalho apresenta uma análise experimental da influência dos parâmetros de comunicação LoRaWAN sobre o consumo energético e o desempenho da comuni- cação em dispositivos IoT. Para a avaliação energética, foram realizadas medições de corrente elétrica nos estados de transmissão, recepção e repouso para diferen- tes taxas de dados e tamanhos de payload, possibilitando a estimativa da autonomia do dispositivo quando alimentado por bateria. Complementarmente, foram conduzidos experimentos em cenários reais para avaliar o desempenho da comunicação por meio das métricas Packet Delivery Ratio (PDR), Received Signal Strength Indicator (RSSI) e Signal-to-Noise Ratio (SNR), em ambientes com diferentes características de pro- pagação, incluindo um edifício de múltiplos andares e áreas distintas de um campus universitário. Os resultados obtidos permitiram analisar a relação entre eficiência ener- gética e desempenho da comunicação, evidenciando os impactos dos parâmetros de comunicação na confiabilidade do enlace e na autonomia estimada do dispositivo. Dessa forma, o trabalho contribui para a compreensão dos compromissos envolvidos na configuração de dispositivos LoRaWAN alimentados por bateria, fornecendo sub- sídios para a seleção de parâmetros de comunicação adequados de acordo com os requisitos de autonomia e desempenho exigidos pela aplicação.

The growing adoption of Internet of Things (IoT) devices has increased the demand for wireless communication technologies capable of providing wide geographical cov- erage and low power consumption, particularly in battery-powered applications. In this context, LoRaWAN stands out as one of the leading LPWAN solutions, enabling long- range communications with low energy requirements. However, communication pa- rameters such as Data Rate and transmitted packet size directly influence both energy consumption and communication performance. Therefore, this work presents an exper- imental analysis of the influence of LoRaWAN communication parameters on energy consumption and communication performance in IoT devices. For the energy evalua- tion, electrical current measurements were performed during transmission, reception, and idle states under different Data Rates and payload sizes, enabling the estimation of device battery life. In addition, experiments were conducted in real-world scenarios to assess communication performance using the Packet Delivery Ratio (PDR), Received Signal Strength Indicator (RSSI), and Signal-to-Noise Ratio (SNR) metrics in environ- ments with different propagation characteristics, including a multi-story building and distinct areas of a university campus. The obtained results enabled the analysis of the relationship between energy efficiency and communication performance, highlighting the effects of communication parameters on link reliability and estimated device battery life. Thus, this work contributes to the understanding of the trade-offs involved in config- uring battery-powered LoRaWAN devices, providing support for selecting appropriate communication parameters according to the autonomy and performance requirements of each application.