Detection algorithm for LoRa : performance analysis in a LEO satellite scenario

In recent years with the development of the Internet of Things (IoT), global coverage has become a central topic in the research. In some situations like emergencies or natural disasters where the terrestrial network infrastructure is compromised or to achieve coverage in rural areas, Low Power Wide Area Networks (LPWANs) represent an efficient solution and, for this reason, they have attracted attention. Among the technologies available for LPWANs, LoRa is promising for use in the direct-to-satellite (DtS) IoT where the aim is to connect end-nodes on the Earth, to satellites in the Low Earth Orbit (LEO). LoRa is the physical layer of the technology and is based on the Chirp Spread Spectrum (CSS) Modulation. This thesis’ aim is to analyse the performance of LoRa for the specific application of the satellite scenario. The IoT satellite scenario is characterised by a vast number of users that try to access the channel, possibly interfering with each other. Effects like the Doppler shift over the earth-to-satellite link or the packet delays represent a big challenge for the deployment of the LoRa technology in a multi-user scenario. A central topic of this thesis has been the study of existing models for packet detection to identify the preamble marking the start of a LoRa frame, before carrying on the decoding procedure. A simulator has been developed to test the performance in terms of bit error rate (BER), packet detection probability and false alarm probability. The simulation results were in part consistent with those presented in the theoretical analysis and confirmed that LoRa was not originally designed for networks with high channel loads. Nonetheless, research studies are ongoing to demonstrate the potential that LoRa has for satellite IoT applications and this work of thesis along with the designed simulator can provide a base for future evaluations of LoRa.

Negli ultimi anni, con lo sviluppo dell’Internet delle cose, in inglese Internet of Things (IoT), la ricerca si sta focalizzando su come offrire la copertura globale. In situazioni di emergenza, come i disastri naturali, in cui l’infrastruttura delle reti terrestri non è più in grado di funzionare o volendo raggiungere la copertura delle aree rurali, una soluzione efficace è rappresentata dalle reti Low Power Wide Area Networks (LPWAN), che per questa ragione sono al centro dell’attenzione. Tra tutte le tecnologie disponibili per le reti LPWAN, LoRa è sicuramente tra le più promettenti per l’utilizzo in applicazioni dell’IoT basate su satellite, in cui lo scopo è quello di connettere degli oggetti sulla Terra a satelliti che si trovano nell’orbita terrestre bassa (LEO). LoRa è il livello fisico basato sulla modulazione Chirp Spread Spectrum (CSS). Lo scopo di questa tesi di laurea è quello di analizzare le prestazioni di LoRa nello scenario IoT satellitare. Quest’ultimo è caratterizzato dalla presenza di un grande numero di utenti che tentano l’accesso al canale di comunicazione in maniera non coordinata e in alcuni casi interferiscono gli uni con gli altri. Tuttavia, LoRa non è stato inizialmente pensato per lavorare in un ambiente con molti utenti che generano grandi quantità di traffico nella rete ed effetti come quello Doppler o ritardi di trasmissione sul canale terra-satellite rappresentano una grande sfida per lo sviluppo di LoRa in questo scenario. Un tema centrale della tesi è stato lo studio di modelli preesistenti per il rilevamento dei pacchetti tramite il preambolo che segna l’inizio di una trasmissione LoRa; in questo modo infatti, il ricevitore ha informazioni più dettagliate riguardo dove iniziare le procedure di decodifica del pacchetto. Un simulatore è stato sviluppato per testare le performance in termini di Bit Error Rate (BER), probabilità di rilevamento del pacchetto e probabilità di Falso Allarme. I risultati delle simulazioni si sono rivelati in parte coerenti con quelli che ci si aspettava dopo l’analisi teorica e pertanto, hanno confermato il fatto che LoRa non fosse stato originariamente progettato per reti ad alto traffico. Nonostante ciò, molteplici ricerche scientifiche stanno cercando di dimostrare le potenzialità di LoRa nelle applicazioni IoT basate su satellite e il seguente lavoro di tesi fornisce la base per future valutazioni di LoRa.