Спосіб визначення критичності шлюзів в LoRaWAN мережі

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.18372/2073-4751.84.20893

Ключові слова:

LoRaWAN, критичність шлюзів, надійність мережі, інтернет речей, адаптивна швидкість передачі даних

Анотація

Мережі LoRaWAN покладаються на мережеві шлюзи для ретрансляції пакетів від кінцевих пристроїв з обмеженими ресурсами до мережевого сервера, створюючи потенційну єдину точку відмови в мережевій інфраструктурі. Хоч і існують традиційні метрики центральності графів для загальних мереж, вони не враховують властивості, специфічні для LoRaWAN, такі як механізми адаптивної швидкості передачі даних (ADR), ортогональність коефіцієнта розповсюдження та асиметричні шаблони зв'язку вузлів та шлюзів. У цій статті представлено метрику для визначення критичності шлюзів, спеціально розроблену для мереж LoRaWAN, а також алгоритм, який використовує цю метрику в завданні аналізу для виявлення та визначення пріоритетів критичних компонентів інфраструктури до виникнення збоїв.

Метрика для шлюзів, представлена ​​в цьому дослідженні, поєднує три специфічні для LoRaWAN фактори: кількість підключених вузлів (внесок у покриття), кількість вузлів підключених виключно (єдині точки відмови) та обсяг обслуговуваного трафіку (важливість на прикладному рівні). На відміну від традиційних показників центральності, представлений алгоритм враховує здатність ADR адаптивно збільшувати коефіцієнти розповсюдження, коли шлюзи виходять з ладу, розпізнаючи приховану надлишковість, яка стає доступною під час перебоїв. Вузли підключені виключно до одного шлюзу, мають найбільшу вагу (внесок 50%), оскільки їхня ізоляція має негайний, неминучий вплив на доступність мережі.

Метрику перевірено за допомогою 300 симуляцій у різних мережевих топологіях, що охоплюють від 7 до 50 вузлів та від 1 до 5 шлюзів. Результати демонструють сильну кореляцію між показниками критичності та виміряним впливом збоїв. Збої шлюзів з високою критичністю (C ≥ 0,7) призвели до падіння коефіцієнта доставки пакетів (PDR) приблизно на 60%, тоді як збої з низькою критичністю (C < 0,3) призвели до падіння до 25%. Метрика узагальнюється для розглянутих мережевих масштабів та топологій, від простих розгортань з двома шлюзами до складних сценаріїв з 50 вузлами та 5 шлюзами.

Посилання

Albert R., Jeong H., Barabási A.-L. Error and attack tolerance of complex networks. Nature. 2000. Vol. 406, no. 6794. P. 378–382. URL: https://doi.org/10.1038/35019019 (date of access: 11.02.2026).

Attack vulnerability of complex networks / P. Holme et al. Physical review E. 2002. Vol. 65, no. 5. URL: https://doi.org/10.1103/physreve.65.056109 (date of access: 11.02.2026).

Efficiency of scale-free networks: error and attack tolerance / P. Crucitti et al. Physica A: statistical mechanics and its applications. 2003. Vol. 320. P. 622–642. URL: https://doi.org/10.1016/s0378-4371(02)01545-5 (date of access: 12.02.2026).

Improving network robustness by edge modification / A. Beygelzimer et al. Physica A: statistical mechanics and its applications. 2005. Vol. 357, no. 3-4. P. 593–612. URL: https://doi.org/10.1016/j.physa.2005.03.040 (date of access: 12.02.2026).

Mahmood M. A., Seah W. K. G., Welch I. Reliability in wireless sensor networks: a survey and challenges ahead. Computer networks. 2015. Vol. 79. P. 166–187. URL: https://doi.org/10.1016/j.comnet.2014.12.016 (date of access: 12.02.2026).

Georgiou O., Raza U. Low power wide area network analysis: can lora scale?. IEEE wireless communications letters. 2017. Vol. 6, no. 2. P. 162–165. URL: https://doi.org/10.1109/lwc.2016.2647247 (date of access: 12.02.2026).

Do LoRa Low-Power Wide-Area Networks Scale? / M. C. Bor et al. MSWiM '16: 19th ACM international conference on modeling, analysis and simulation of wireless and mobile systems, Malta Malta. New York, NY, USA, 2016. URL: https://doi.org/10.1145/2988287.2989163 (date of access: 12.02.2026).

Savithi C., Kaewta C. Multi-Objective optimization of gateway location selection in long-range wide area networks: a tradeoff analysis between system costs and bitrate maximization. Journal of sensor and actuator networks. 2024. Vol. 13, no. 1. P. 3. URL: https://doi.org/10.3390/jsan13010003 (date of access: 12.02.2026).

On the use of lorawan for indoor industrial iot applications / M. Luvisotto et al. Wireless communications and mobile computing. 2018. Vol. 2018. P. 1–11. URL: https://doi.org/10.1155/2018/3982646 (date of access: 12.02.2026).

Cattani M., Boano C. A., Romer K. An experimental evaluation of the reliability of lora long-range low-power wireless communication. Journal of sensor and actuator networks. 2017. Vol. 6, no. 2. P. 7. URL: https://doi.org/10.3390/jsan6020007 (date of access: 12.02.2026).

Automating reliable and fault-tolerant design of lora-based iot networks / X. Yu et al. 2021 17th international conference on network and service management (CNSM), Izmir, Turkey, 25–29 October 2021. 2021. URL: https://doi.org/10.23919/cnsm52442.2021.9615512 (date of access: 12.02.2026).

ZBMG-LoRa: a novel zone-based multi-gateway approach towards scalable lorawans for internet of things / M. Almuhaya et al. Sensors. 2025. Vol. 25, no. 17. P. 5457. URL: https://doi.org/10.3390/s25175457 (date of access: 12.02.2026).

Wu W., Wang H., Cheng Z. ReLoRaWAN: Reliable data delivery in LoRaWAN networks with multiple gateways. Ad hoc networks. 2023. P. 103203. URL: https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2023.103203 (date of access: 12.02.2026).

Slabicki M., Premsankar G., Di Francesco M. Adaptive configuration of lora networks for dense IoT deployments. NOMS 2018 - 2018 IEEE/IFIP network operations and management symposium, Taipei, Taiwan, 23–27 April 2018. 2018. URL: https://doi.org/10.1109/noms.2018.8406255 (date of access: 12.02.2026).

A 3D simulation framework with ray-tracing propagation for LoRaWAN communication / A. Ruz-Nieto et al. Internet of things. 2023. P. 100964. URL: https://doi.org/10.1016/j.iot.2023.100964 (date of access: 12.02.2026).

Munikoti S., Das L., Natarajan B. Scalable graph neural network-based framework for identifying critical nodes and links in complex networks. Neurocomputing. 2022. Vol. 468. P. 211–221. URL: https://doi.org/10.1016/j.neucom.2021.10.031 (date of access: 12.02.2026).

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-12-30

Як цитувати

Дремов, А., & Волокита, А. (2025). Спосіб визначення критичності шлюзів в LoRaWAN мережі. Проблеми iнформатизацiї та управлiння, 4(84), 22–37. https://doi.org/10.18372/2073-4751.84.20893

Номер

Том 4 № 84 (2025)

Розділ

Статті

Ліцензія

Науковий журнал дотримується принципів відкритого доступу (Open Access) та забезпечує вільний, негайний і постійний доступ до всіх опублікованих матеріалів без фінансових, технічних або юридичних обмежень для читачів.

Усі статті публікуються у відкритому доступі відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Авторські права

Автори, які публікують свої роботи в журналі:

  • зберігають за собою авторські права на свої публікації;

  • надають журналу право на перше опублікування статті;

  • погоджуються на поширення матеріалів за ліцензією CC BY 4.0;

  • мають право повторно використовувати, архівувати та поширювати свої роботи (у тому числі в інституційних та тематичних репозитаріях) за умови посилання на первинну публікацію в журналі.