Performance evaluation of LoRa LPWAN technology for IoT-based blast-induced ground vibration system

The recent proliferation of wireless sensor networks (WSNs) evolution into the Internet of Things (IoT) vision enables a variety of low-cost monitoring applications which allows a seamless transfer of information via embedded computing and network devices. Ambiguous ground vibration can be induced by blasting demolition is a severe concern which grievously damages the nearby dwellings and plants. It is an indispensable prerequisite for measuring the blast-induced ground vibration (BIGV), accomplishing a topical and most active research area. Thus, proposed and developed an architecture which emphasizes the IoT realm and implements a low-power wide-area networks (LPWANs) based system. Especially, using the available Long-Range (LoRa) Correct as Radio Frequency (RF) module, construct a WSN configuration for acquisition and streaming of required data from and to an IoT gateway. The system can wirelessly deliver the information to mine management and surrounding rural peoples to aware of the intensity of BIGV level. In this article, an endeavor has been made to introduce a LoRa WAN connectivity and proved the potentiality of the integrated WSN paradigm by testing of data transmission-reception in a non-line of sight (NLOS) condition. The path loss metrics and other required parameters have been measured using the LoRa WAN technology at 2.4 GHz frequency

Antennas and Propagation Aspects for Emerging Wireless Communication Technologies

The increasing demand for high data rate applications and the delivery of zero-latency multimedia content drives technological evolutions towards the design and implementation of next-generation broadband wireless networks. In this context, various novel technologies have been introduced, such as millimeter wave (mmWave) transmission, massive multiple input multiple output (MIMO) systems, and non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes in order to support the vision of fifth generation (5G) wireless cellular networks. The introduction of these technologies, however, is inextricably connected with a holistic redesign of the current transceiver structures, as well as the network architecture reconfiguration. To this end, ultra-dense network deployment along with distributed massive MIMO technologies and intermediate relay nodes have been proposed, among others, in order to ensure an improved quality of services to all mobile users. In the same framework, the design and evaluation of novel antenna configurations able to support wideband applications is of utmost importance for 5G context support. Furthermore, in order to design reliable 5G systems, the channel characterization in these frequencies and in the complex propagation environments cannot be ignored because it plays a significant role. In this Special Issue, fourteen papers are published, covering various aspects of novel antenna designs for broadband applications, propagation models at mmWave bands, the deployment of NOMA techniques, radio network planning for 5G networks, and multi-beam antenna technologies for 5G wireless communications

Radio Transmission Characteristics in Tunnel Environments

This is the author accepted manuscript. The final version is available from Taylor & Francis via the DOI in this record.Radio communication is becoming more widely used in underground mining, although it is still a challenge to achieve good quality and reliable coverage. This research provides information to assist mining professionals in designing voice or data communication systems that operate underground by transmitting along mine tunnels. This has been achieved by presenting a simplified model for predicting the propagation of microwave signals and supplementing this with the results of an extensive experimental study aimed at understanding how the performance predicted by the model differs from real-world performance. The results validate the model under ideal conditions but additional signal attenuation is shown to occur when operating close to a wall, behind a partial obstruction or in a side tunnel. Experimental results indicate the typical magnitude of such additional attenuation. Also, long- and short-range fluctuations to the predicted average is demonstrated and their typical magnitude shown. A system planning approach is outlined

Caractérisation du canal de propagation BAN dans un milieu minier

Le Body Area Network (BAN) est une technologie de réseau sans fil qui consiste à interconnecter, autour ou sur le corps humain des transmetteurs et des récepteurs afin d’établir une communication sans fil, impliquant le corps humain. À titre d’exemple, ces composants électroniques utilisant des courants de très faible puissance pourraient communiquer avec un centre de commande distant, pour alerter un service d'urgence. Les applications se trouvent principalement dans les domaines de la santé, militaire, et divertissement. Cette technologie (BAN) pourrait être appliquée davantage dans un environnement minier en raison de sa simplicité et sa capacité à fournir des informations utiles telles que la surveillance de l'environnement ou d’état de santé des employés. En effet, les mineurs sont exposés quotidiennement à un certain nombre de risques qui affecte leurs santés. Dans le cadre de ce projet, nous proposons un système BAN efficace qui sera à la fois rentable et simple à utiliser dans une mine souterraine. Ce projet de recherche consiste à déterminer, à la fréquence 2,4 GHz du standard IEEE 802.11, les performances des systèmes de communication SISO (Single Input Single Output) et MIMO (Multiple Input Multiple Output) pour les canaux BAN, en termes de l’étalement des retards (RMS delay spread), l’affaiblissement de parcours, la bande de cohérence et la capacité du canal. Afin d’atteindre ces objectifs, une campagne de mesure a été effectuée dans une galerie de la mine CANMET (niveau 40m) en ligne de vue directe (LOS) et en ligne de vue indirecte (NLOS) en utilisant les topologies SISO et MIMO. The Body Area Network (BAN) is a wireless networking technology that consists in interconnecting, on or around the human body, transmitters and receivers to establish wireless communication. For example, electronic components, mounted on the human body, using very low power could communicate with a remote control center to alert an emergency service. The BAN applications are mainly found in the areas of health, military, and entertainment. This technology (BAN) could be applied in a mining environment because of its simplicity and its ability to provide useful information such as environmental conditions and employees’ health status data. In fact, the miners are exposed daily to a number of risks that affect their health. As part of this project, we propose an efficient BAN system ,dedicated to the security of the miners, that is both cost effective and easy to use in an underground mine. This research project consists in determining, at the 2.4 GHz frequency of the IEEE 802.11 standard, the performance of the SISO and MIMO communication systems for BAN channels, in terms of the RMS delay spread, the path loss, the coherence bandwidth and the channel capacity. In order to achieve these objectives, measurement campaigns were carried out in the CANMET mine gallery (40m level) in line of sight (LOS) and no line of sight (NLOS) using SISO and MIMO topologies

Channel Measurements and Models for High-Speed Train Wireless Communication Systems in Tunnel Scenarios: A Survey

The file attached to this record is the author's final peer reviewed version. The Publisher's final version can be found by following the DOI link.The rapid developments of high-speed trains (HSTs) introduce new challenges to HST wireless communication systems. Realistic HST channel models play a critical role in designing and evaluating HST communication systems. Due to the length limitation, bounding of tunnel itself, and waveguide effect, channel characteristics in tunnel scenarios are very different from those in other HST scenarios. Therefore, accurate tunnel channel models considering both large-scale and small-scale fading characteristics are essential for HST communication systems. Moreover, certain characteristics of tunnel channels have not been investigated sufficiently. This article provides a comprehensive review of the measurement campaigns in tunnels and presents some tunnel channel models using various modeling methods. Finally, future directions in HST tunnel channel measurements and modeling are discussed

Étude d'un réseau de capteur UWB pour la localisation et la communication dans un environnement minier

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données

Caractérisation d'un canal ultra large bande (UWB) en milieu confiné souterrain

Le milieu minier, très complexe par sa nature, a besoin d'un système de communication fiable. Déployer un système fiable dans ce type de milieu, nécessite la connaissance parfaite du milieu de propagation. Notre projet d'étude porte donc sur la caractérisation d'un canal ultra large bande (UWB) en milieu confiné souterrain. Notre étude s'est focalisée sur la propagation des signaux ultra large bande dans le canal minier à différents niveaux. Il a consisté à déterminer ses paramètres à grande et petite échelle à différents niveaux dans la mine et à les comparer. Un autre élément fort important dans la conception d'un système de communication est sa capacité. Elle permet de déterminer les applications pouvant transiter sur le réseau. Nous avons dans un premier temps établi le protocole expérimental devant être utilisé pour des campagnes de mesures. Ensuite, les réponses fréquentielles du canal UWB (3 à 10 GHz) ont été mesurées. Nous avons grâce à la transformée inverse de Fourrier déterminé les réponses impulsionnelles. Nous avons, à deux niveaux de la mine (niveau 40 et niveau 70), déterminé les caractéristiques du canal UWB à savoir son amplitude, les paramètres de dispersion temporelle à différents niveaux de la mine et à différentes configurations (visibilité directe et non-visibilité directe) et la capacité. L'analyse des résultats obtenus montre que l'indice de pertes de propagation est proche de celui de l'espace libre en visibilité directe et varie fortement en cas de visibilité obstruée. Le système avec une antenne directive en réception donne de meilleurs résultats. La capacité du canal obtenue est assez importante pour permettre le déploiement des applications haut débit. En comparant les résultats obtenus, on constate que la majorité des paramètres du canal ne dépendent pas de la géométrie de la galerie souterraine. The mining environment, very complex by nature, needs a reliable communication system. Deploying a reliable system in this type of environment requires a perfect knowledge of the propagation channel. Our research project therefore focuses on the characterization of UWB propagation channel in an underground mine. Our study focused on the propagation channel of ultra wideband signals in the mine at different levels. It was to determine the parameters of large and small scale at various levels in the mine and then compare them. Another very important element in design of a communication system is the channel capacity that we have also calculated and compared. It identifies applications that can pass over the network. We initially established the experimental protocol to be used for measurement campaigns. Then the frequency responses of the UWB channel (3-10 GHz) were measured. The channel impulse responses were computed using the IFFT transform. We have, at two levels of the mine (Level 40 and Level 70), determined the characteristics of the UWB channel: its pathloss, the temporal dispersion parameters at different levels of the mine and at different configurations (line of sight and non line of sight) and capacity. Analysis of the results obtained show that the path loss exponent is close to free space in line of sight, and varies greatly in the case of non line of sight. The system with directional antenna at reception gives better results. The channel capacity obtained is large enough to allow the deployment of broadband applications. By comparing the results obtained, we found that the majority of the channel parameters does not depend on the geometry of the underground gallery

Performance analysis of wireless mesh networks for underground mines

Abstract: Underground mines are harsh environments that have unique challenges that limit wireless communication. To ensure the safety and efficiency of mining operations, communication systems play a vital role. Despite the major developments in communication technologies, underground mines are still challenging environments for wireless communication, however, the advent of wireless mesh networks offers a cutting-edge solution to the mining industry and understanding the performance of this technology is fundamental to its application in dynamic areas of underground mines. This research project aims at conducting a performance analysis of wireless mesh networks by developing a prototype system set up of wireless mesh transceivers to conduct a feasibility study of data transmission on the network in underground mines. The second aspect of this study investigates network parameters, such as latency, throughput, and signal-to-noise, as a function of increasing mesh nodes on the network and internode spacing of mesh nodes. By combining theoretical models with real-time performance of the mesh system, realistic conclusions and better recommendations can be given to mining companies with regards to deploying wireless mesh systems in their underground mines.M.Ing. (Electrical and Electronic Engineering Science

Étude et caractérisation d’un canal de propagation pour les réseaux VANET

Dans les réseaux VANET, la communication se fait entre les véhicules (V2V) du réseau grâce à un système sans-fil sans infrastructure fixe. Cependant, elle ne peut être faite qu’à l’intérieur d’une distance correspondant à la portée radio qui est généralement de petite taille. Il est donc nécessaire d’avoir recours aux techniques du multi-saut afin de véhiculer l’information. Un grand nombre de travaux sur les réseaux VANET utilisent des modèles de propagation simples, tels que le modèle en espace libre (freespace) ou le modèle de Friis. Toutefois, ces deux modèles demeurent loin de la réalité lorsqu’ils sont appliqués à la prédiction des communications inter-véhiculaires. Les résultats prédits par ces deux modèles sont souvent inutilisables dans cette situation et par conséquent, une modélisation plus réaliste du canal est devenue un enjeu crucial en ce qui concerne les réseaux VANET. La présente étude se penche sur l’échange de données dans un réseau VANET. Celle-ci se déroule dans un environnement minier où interviennent divers paramètres. Il est donc nécessaire de prendre en compte l’impact du canal de propagation propre à cet environnement. Cette étude se déroule en deux temps. La première étape consiste à étudier le canal de propagation dans le cas statique. Pour cela, un analyseur de réseau a été utilisé. Ce dernier réalise les mesures dans le domaine fréquentiel en effectuant un balayage de fréquences sur toute la largeur de bande choisie. Ces mesures sont ensuite transformées dans le domaine temporel utilisant la transformée de Fourier. Avec cette technique, nous avons réussi à couvrir des distances allant jusqu’à 130 mètres. La deuxième étape vise l’étude du canal dans le cas dynamique. Pour cela, nous avons placé un analyseur de spectre dans un véhicule qui bouge le long de la galerie en prenant des mesures correspondant aux différentes vitesses du véhicule