Contributions to energy-efficient multi-radio architectures for novel IoT scenarios

Abstract

(English) As wireless networks continue to evolve to support a growing variety of applications, energy efficiency has become a critical design requirement, particularly for devices operating on constrained power sources. Effective energy management strategies are essential to enable sustained and reliable wireless communication across heterogeneous landscapes, where certain nodes must remain active over extended periods with minimal energy availability. These requirements become increasingly complex with the advent of next-generation Internet of Things (IoT) applications, which often introduce additional constraints such as reduced latency and increased bandwidth demands. Although Wi-Fi presents a potentially viable solution, it does not fully align with the needs of these applications, particularly in terms of energy consumption and communication range. Despite ongoing efforts by the IEEE P802.11 Working Group to tailor Wireless Local Area Network (WLAN) technologies for IoT contexts, the inherent trade-offs between energy efficiency and performance metrics, like data rate and latency, remain an unresolved challenge. A promising way to improve the energy efficiency of Wi-Fi-based IoT devices is to integrate a secondary radio. Said interface may be a simple, low-cost, ultra-low-power Wake-up Radio (WuR) or a Low Power Wide Area Network (LPWAN) technology (e.g., LoRaWAN). Its role is to allow the primary Wi-Fi radio to remain in a low-power sleep state for extended periods. In this multi-radio setup, the high-rate interface handles the transmission of application data, while the low-rate, energy-efficient interface extends its functionality by maintaining connectivity and managing wake-ups when necessary. This design allows the device to stay network-aware even when the main radio is inactive, to save energy. Even currently deployed IoT devices and appliances equipped with a single-radio Wi-Fi interface could be integrated into the proposed scheme through the use of softAPs, which are nowadays a common solution to provide connectivity. They allow any device with sufficient capabilities (e.g., smartphones) to act as a Wi-Fi Access Point (AP) running on a limited power source. To further extend device lifetime, particularly in dense network environments where AP activity significantly impacts energy consumption, this thesis explores the AP Power Save framework, which is under discussion by the IEEE 802.11bn Task Group (TGbn). Additionally, the LoRa Alliance has introduced Long Range-Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS), a new physical layer modulation for LoRaWAN offering greater scalability and robustness for Satellite IoT use cases, among others. This thesis investigates whether LR-FHSS maintains the low-power characteristics required for energy-constrained IoT deployments. Analytical modeling and simulation results show that a multi-radio architecture incorporating a WuR as the secondary interface maintains latency figures comparable to conventional single-interface networks while significantly reducing energy consumption (by up to almost two orders of magnitude). Real-world device measurements further validate these findings. Additionally, the thesis presents an in-depth analysis of key energy-saving mechanisms proposed within the IEEE 802.11 TGbn, including Scheduled Power Save, (Semi-)Dynamic Power Save, and Cross-Link Power Save, among others. Open research challenges in this domain are also discussed. Numerical evaluations suggest that AP power consumption can be reduced by an average of one-third, with the possibility for further optimization. In parallel, the assessment of LR-FHSS reveals that although it may exhibit higher energy consumption than LoRa under certain conditions, it can nonetheless support long battery lifetimes when optimally configured. Specifically, with the appropriate payload size, LR-FHSS end devices can operate for many years on modest power sources like coin-cell batteries.

(Català) A mesura que les xarxes sense fils evolucionen per donar suport a una varietat creixent d’aplicacions, l’eficiència energètica s’ha convertit en un requisit fonamental de disseny, especialment per a dispositius amb fonts d’energia limitades. Per garantir una comunicació fiable i sostinguda en entorns heterogenis, on determinats nodes han de romandre actius durant períodes prolongats amb una disponibilitat energètica mínima, calen estratègies eficients de gestió de l’energia. Aquesta necessitat es complica amb les noves aplicacions de l’Internet of Things (IoT), que sovint exigeixen menor latència i més amplada de banda. Tot i que el Wi-Fi pot semblar una solució viable, sovint no s’ajusta a aquests requisits, especialment pel que fa al consum energètic i abast. Malgrat els esforços del grup IEEE P802.11 per adaptar les WLAN al context IoT, els compromisos entre eficiència energètica i prestacions com la taxa de dades o la latència continuen sent un repte. Una estratègia prometedora per millorar l’eficiència energètica dels dispositius IoT amb Wi-Fi és incorporar una ràdio secundària. Aquesta pot ser una Wake-up Radio (WuR), de molt baix consum, o bé una tecnologia LPWAN com LoRaWAN. La seva funció és mantenir la ràdio Wi-Fi primària en repòs la majoria del temps, reduint així el consum. En aquesta arquitectura multiràdio, la interfície d’alta velocitat transmet les dades de l’aplicació, mentre que la de baix consum manté la connectivitat i gestiona quan es desperta. Això permet que el dispositiu estigui connectat sense tenir la ràdio primària activa constantment. Fins i tot els dispositius IoT amb una sola interfície Wi-Fi poden adaptar-se a aquest esquema mitjançant softAPs, una solució habitual per oferir connectivitat, que permet que dispositius com smartphones actuïn com a punts d’accés (APs), fins i tot amb fonts d’energia limitades. Per allargar encara més la vida útil dels dispositius, especialment en entorns densos on l’activitat dels APs afecta el consum, aquesta tesi estudia el marc AP Power Save, actualment en discussió dins el grup IEEE 802.11bn (TGbn). Paral·lelament, la LoRa Alliance ha proposat una nova modulació per a LoRaWAN: Long Range-Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS), que millora escalabilitat i robustesa de senyal en casos com el IoT via satèl·lit. Aquesta tesi analitza si LR-FHSS conserva el baix consum necessari per a desplegaments IoT amb recursos energètics limitats. Els resultats obtinguts mitjançant modelatge analític i simulacions mostren que una arquitectura multiràdio amb WuR manté nivells de latència similars als de xarxes convencionals d’una sola ràdio, mentre redueix significativament el consum (fins a gairebé dos ordres de magnitud). Les mesures en dispositius reals confirmen aquesta millora. A més, es presenta una anàlisi detallada dels mecanismes d’estalvi energètic proposats dins l’IEEE 802.11 TGbn, com Scheduled Power Save, (Semi-)Dynamic Power Save i Cross-Link Power Save. També s’hi tracten reptes de recerca encara oberts. Les avaluacions indiquen que el consum dels APs es podria reduir, de mitjana, en un terç, amb marge per a optimitzacions. Finalment, l’anàlisi del LR-FHSS mostra que, tot i que en certes condicions pot consumir més que LoRa, pot assolir llargs períodes de funcionament amb la configuració adequada. En concret, amb una mida de payload apropiada, dispositius LR-FHSS poden operar durant anys amb fonts modestes com les piles de botó.

(Español) A medida que las redes inalámbricas evolucionan para dar soporte a una variedad creciente de aplicaciones, la eficiencia energética se ha vuelto un requisito clave de diseño, especialmente en dispositivos que operan con fuentes de energía limitadas. Para garantizar una comunicación fiable y sostenida en entornos heterogéneos, donde ciertos nodos deben permanecer activos durante largos periodos con recursos mínimos, se requieren estrategias eficaces de gestión energética. Estas necesidades se complican con la llegada de nuevas generaciones de aplicaciones del Internet of Things (IoT), que imponen requisitos adicionales como menor latencia y mayor ancho de banda. Aunque el Wi-Fi puede parecer una solución viable, no se ajusta del todo a las necesidades de estas aplicaciones, especialmente en términos de consumo energético y alcance. A pesar de los esfuerzos del grupo IEEE P802.11 por adaptar las tecnologías WLAN al contexto IoT, el equilibrio entre eficiencia energética y prestaciones como velocidad de transmisión o latencia sigue siendo un reto. Una estrategia prometedora para mejorar la eficiencia energética en dispositivos IoT basados en Wi-Fi consiste en añadir una radio secundaria. Esta puede ser una Wake-up Radio (WuR), de muy bajo consumo y coste, o una tecnología LPWAN como LoRaWAN. Su función es permitir que la radio Wi-Fi primaria permanezca en reposo más tiempo, reduciendo así el consumo. En esta arquitectura multirradio, la interfaz de alta velocidad transmite los datos de la aplicación, mientras que la secundaria, de bajo consumo, mantiene la conectividad y gestiona el encendido cuando es necesario. Así, el dispositivo puede mantenerse conectado sin necesidad de tener la radio primaria siempre activa. Incluso los dispositivos IoT actuales con solo una interfaz Wi-Fi pueden adaptarse mediante el uso de softAPs, una solución común que permite a dispositivos con capacidades suficientes (como un móvil) actuar como punto de acceso (AP), incluso con energía limitada. Para extender aún más la vida útil de los dispositivos, especialmente en entornos densos donde el consumo de los APs es significativo, esta tesis explora el marco AP Power Save, actualmente en discusión en el grupo IEEE 802.11bn (TGbn). Asimismo, la LoRa Alliance ha propuesto una nueva modulación para LoRaWAN, denominada Long Range-Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS), que mejora la escalabilidad y robustez de la señal en casos como el IoT por satélite. Esta tesis analiza si LR-FHSS conserva las propiedades de bajo consumo necesarias para despliegues IoT con restricciones energéticas. Los resultados obtenidos mediante modelado analítico y simulaciones muestran que una arquitectura multirradio con WuR como interfaz secundaria puede mantener una latencia similar a la de redes convencionales de una sola radio, reduciendo significativamente el consumo energético (hasta casi dos órdenes de magnitud). Las mediciones en dispositivos reales confirman esta mejora. Además, se presenta un análisis detallado de los principales mecanismos de ahorro energético propuestos por el grupo IEEE 802.11 TGbn, como Scheduled Power Save, (Semi-)Dynamic Power Save y Cross-Link Power Save. También se abordan desafíos aún abiertos en este ámbito. Los estudios numéricos indican que el consumo de los APs podría reducirse en promedio un tercio, con margen de mejora adicional. Por otro lado, el análisis de LR-FHSS muestra que, aunque en ciertas condiciones puede consumir más que LoRa, con la configuración adecuada puede ofrecer gran autonomía. En concreto, con un tamaño de payload adecuado, los dispositivos LR-FHSS pueden funcionar durante años incluso con fuentes de energía modestas, como pilas de botón.