Análise de efeito Doppler em redes LoRa utilizando SDR

Abstract

A expansão da Internet das Coisas tem possibilitado a conectividade em diversas áreas, e a tecnologia LoRa (Long Range) surge como uma das principais soluções devido à sua capacidade de comunicação em longas distâncias e ao seu baixo custo por mensagem enviada. Essa tecnologia pode ser utilizada tanto em ambientes urbanos densos quanto em áreas rurais, alcançando distâncias de até 5 km e 15 km, respectivamente. Mas a implementação de redes LoRa em regiões remotas ainda enfrenta desafios com a infraestrutura. Para contornar essas limitações, os Satélites de Órbita Baixa da Terra (LEO) têm surgido como uma alternativa, possibilitando cobertura em locais onde a instalação de gateways terrestres é inviável. Porém, a adoção de satélites introduz o impacto no meio físico do efeito Doppler, devido à alta velocidade relativa dos satélites, que pode alcançar até 8 km/s em relação às estações terrestres. Este fenômeno afeta a modulação e a transmissão de dados, trazendo a necessidade de se realizar análises detalhadas do impacto do efeito Doppler para as diferentes parametrizações do LoRa. O objetivo deste trabalho é realizar a análise do efeito Doppler em redes LoRa que utilizam nós móveis. Para isso, um transmissor LoRa é implementado em um sistema de Rádio Definido por software (SDR), permitindo emular e avaliar o efeito Doppler em diferentes condições de velocidade e aceleração. Utilizando um dispositivo LoRa comercial baseado no transceptor SX1276 da Semtech como receptor, a pesquisa busca compreender como as variações de velocidade influenciam as características de transmissão. Desta forma, almeja-se contribuir com o desenvolvimento de soluções que ampliem a cobertura do LoRa por meio de comunicação não terrestre, como, por exemplo gateways satelitais, explorando os impactos causados pelo efeito Doppler na modulação com diferentes parametrizações dos transceptores. Para tanto, o desenvolvimento de uma ferramenta que emula o efeito Doppler, permite a obtenção de resultados de ensaios que identificam e indicam formas de se contornar os impactos do efeito utilizando diferentes parametrizações da modulação.

The expansion of the Internet of Things (IoT) has enabled connectivity in various areas, with LoRa (Long Range) technology emerging as one of the leading solutions due to its long-distance communication capability and low cost per transmitted message. This technology is applicable in both dense urban environments and rural areas, reaching distances of up to 5 km and 15 km, respectively. However, implementing LoRa networks in remote regions faces infrastructure challenges. To address these limitations, Low Earth Orbit (LEO) satellites have emerged as an alternative, providing coverage in areas where terrestrial gateway installation is not feasible. The use of satellites, however, introduces the physical challenge of the Doppler effect, caused by the high relative speed of satellites, which can reach up to 8 km/s relative to ground stations. This phenomenon affects modulation and data transmission, necessitating detailed analyses of the Doppler effect’s impact on various LoRa configurations. This study aims to analyze the Doppler effect in LoRa networks employing mobile nodes. A LoRa transmitter is implemented using a Software Defined Radio (SDR) system, enabling emulation and evaluation of the Doppler effect under different speed and acceleration conditions. Using a commercial LoRa device based on Semtech’s SX1276 transceiver as a receiver, the research investigates how speed variations influence transmission characteristics. The goal is to contribute to the development of solutions that expand LoRa coverage through non-terrestrial communication, such as satellite gateways, by exploring the impacts of the Doppler effect on modulation with various transceiver parameterizations. To this end, the development of a tool that emulates the Doppler effect enables experimental results to identify and propose ways to mitigate the effect’s impacts using different modulation configurations.