Optimizing LoRaWAN transmissions and frontend performance for an IoT web application

Abstract

Diese Arbeit untersucht, welche Möglichkeiten bestehen, die Übertragungsqualität von LoRaWAN-Netzwerken zu verbessern. Zudem wird beleuchtet wie die Performance einer IoT-Webapplikation optimiert werden kann. Die betrachtete Webapplikation ist eine Visualisierung von Sensordaten einer österreichischen Gemeinde. Die Webapplikation soll in weiterer Folge den Winterdienst in der Gemeinde unterstützen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der theoretischen Ausarbeitung von Übertragungsproblemen von LoRaWAN-Netzwerken. Diese sind Paketverluste, Signalinterferenzen und Duty-Cycle Limits. Ebenso wird behandelt, welche möglichen Problembehebungsmechanismen bereits ausgearbeitet wurden. Diese Mechanismen reichen von adaptivem Scheduling über hybride Redundanz-Techniken und besseren ADR (Adaptive Data Rate) Mechanismen. Im zweiten Teil wird der Fokus auf die Optimierung des Frontends der Webapplikation gelegt. Das System soll auch bei großen Datenmengen eine reaktionsschnelle Anzeige der Sensordaten liefern. Um diese Performanceoptimierungen zu erzielen, werden verschiedene Strategien aufgefasst, umgesetzt und analysiert. Darunter Lazy Loading, Limitierung der anzuzeigenden Datenpunkte, client-seitiges Caching und die Reduktion der Updates, welche vom Frontend gerendert werden müssen. Die Resultate zeigen, dass die Ladezeit und Userexperience erheblich verbessert werden konnten. Diese Arbeit soll das Verständnis für robuste LPWAN-Kommunikation stärken und ein Beispiel aus der realen Welt für eine effiziente Umsetzung einer Webapplikation im IoT-Bereich geben.This thesis investigates which possibilities exist to improve the transmission quality of LoRaWAN networks. In addition, it will be illuminated how the performance of an IoT-web application can be optimized. The considered web application is a visualization of sensor data of an Austrian municipality. The web application shall in further consequence support the winter service in the municipality. The first part of the work deals with the theoretical elaboration of transmission problems of LoRaWAN-networks. These are packet losses, signal-interferences and Duty-Cycle limits. Likewise, possible problem-solving mechanisms that have already been elaborated will also be addressed. These mechanisms range from adaptive scheduling over hybrid redundancy-techniques and better ADR (Adaptive Data Rate) mechanisms. In the second part the focus is laid on the optimization of the frontend of the web application. The system shall also deliver a responsive display of the sensor data when handling large data amounts. To achieve these performance optimizations various strategies will be grasped, implemented and analyzed. Among them are Lazy Loading, limitation of the data points visualised, client-sided caching and the reduction of the updates, which must be rendered from the frontend. The results show, that the loading times and user experience could be considerably improved. This work shall strengthen the understanding of robust LPWAN-communication and give an example from the real world for an efficient implementation of a web application in the IoT-area