QoS-Aware Multichannel Resource Allocation in LoRaWAN Networks. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF QOS-AWARE MULTICHANNEL RESOURCE ALLOCATION IN LORAWAN NETWORKS.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 4 May 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

تعتمد شبكات LoRaWAN عند الإرسال من العقد الطرفية إلى الشبكة على آلية نفاذ عشوائي إلى الوسط؛ حيث تقوم العقد بإرسال حزمها فور توفر بيانات لديها، من غير حجز مسبق لموارد الإرسال أو وجود جدول زمني منسَّق مركزياً. وفي الوقت نفسه، يُستخدَم نموذج خدمة من نوع أفضل جهد، أي إن الشبكة تحاول إيصال جميع الحزم قدر الإمكان ضمن الموارد المتاحة، من دون تقديم أي ضمانات صريحة لقيمة معيّنة من زمن التأخير أو لمعدل فقدان الحزم أو لمستوى معيّن من الموثوقية. ورغم بساطة هذه الآليات وانخفاض تعقيدها، فإنها تصبح غير كافية عند ازدياد عدد الأجهزة وتنوّع أنماط الحركة، لأنها لا توفّر أدوات فعّالة للتحكم في الأولويات أو تنظيم النفاذ إلى القناة. وينتج عن ذلك زمن تأخير غير قابل للتنبؤ، وارتفاع في معدلات فقدان البيانات للتدفّقات المهمة، وضعف في كفاءة استغلال الطيف الترددي المحدود. لمعالجة هذه التحديات، تقترح هذه الدراسة إطاراً لتخصيص الموارد مدركاً لجودة الخدمة في شبكات LoRaWAN يعتمد على التشغيل متعدّد القنوات. يربط هذا الإطار بشكل صريح بين فئات الأولوية في الشبكة وبين موارد الإرسال المتاحة، بما يمكّن النظام من التعامل مع التطبيقات الحسّاسة للتأخير وعالية الموثوقية، مع الحفاظ في الوقت ذاته على التوافق الكامل مع هيكلة LoRaWAN الاساسية. تعتمد الفكرة الرئيسة للإطار على استغلال تعامد معاملات الانتشار واستقلالية القنوات الترددية، بحيث يمكن النظر اليها على أنها مجموعة من موارد الإرسال المتوازية. ويتم توزيع هذه الموارد ديناميكياً بين فئات الأولوية المختلفة. يعتمد الإطار على سياسة تخصيص نسبية مُرجَّحة بالأولوية؛ حيث تحصل كل فئة على حصة من الموارد تتناسب مع طلبها اللحظي المُوزن بالأولوية. وداخل كل فئة، يُستخدم مؤشّر واعٍ بالكفاءة لتوجيه العقد نحو الموارد التي تحتاج زمناً أقل على الهواء أي ذات زمن إرسال أقصر، بهدف تحسين استغلال الطيف وتقليل التأخير. يضمن الجمع بين ترجيح الأولوية والاختيار المعتمد على الكفاءة منح الفئات الأعلى أولوية نفاذاً مُقدَّماً إلى الموارد، مع الإبقاء على التصميم عملي قابل للتطبيق ومنخفض التعقيد. ونتيجة لذلك، يساهم الإطار في تقليل زمن التأخير وزيادة الإنتاجية للتدفّقات عالية الأولوية وعالية الموثوقية، دون التسبّب في حرمان تدفّقات أفضل جهد من الموارد.

English Abstract

The ALOHA uplink and best-effort service model as implemented by LoRaWAN is not fundamentally capable of achieving differentiated QoS, especially when the number of devices and the traffic heterogeneity increase. As LoRaWAN deployments expand wider and support a growing number of different applications, the lack of QoS differentiation causes latency that can't be predicted, more data loss for critical traffic, and less efficient use of limited spectrum resources. This work proposes a QoS-aware resource allocation framework based on Multichannel Random Media Access Control in LoRaWAN Networks. The framework enables resource allocation based on the requirements of the different classes of applications. This allows the network to treat latency-sensitive and reliability-critical application differently, while still being fully compatible with the standard LoRaWAN architecture. The main concept is to exploit the spreading factors' quasi-orthogonality and the independence of frequency channels, which allows viewing the network as a pool of parallel transmission resources, and to dynamically distribute that pool across traffic classes. The framework can dynamically assign resourses in response to changing load conditions and priority weight by working on this pool of spreading-factor-channel combinations. A proportional, priority-weighted policy allocates resources to classes based on their weighted demand, and an efficiency-aware metric within each class biases nodes toward lower-airtime resources to improve utilization. The combination of priority weighting and efficiency-aware selection ensures sure that higher-priority classes receive access with precedence. The resulting design is still practical to deploy in existing LoRaWAN networks, low-complexity, yet it consistently reduces latency and increases throughput for high-priority (HP) and high-reliability (HR) traffic without starving best-effort (BE) flows.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Thesis Advisor:	Louai Al-awami,
Thesis Committee Members:	Abdulaziz Barnawi, Basem Al-madani,
Depositing User:	RANA BAJAAFER (g202008840)
Date Deposited:	05 May 2026 08:38
Last Modified:	05 May 2026 12:58
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144178