Communications par satellite en orbite basse en utilisant des signaux de type LoRa

Connecting a device to the Internet is nowadays possible through several communication technologies. However, a limited area of the planet is currently connectable to the Internet via terrestrial cellular networks.Therefore, with the development of satellite Internet of Things (IoT) in recent years, it is possible to provide reliable communication services for places where there are no terrestrial networks. Thus, satellite IoT is a very ambitious sector allowing to blanketing the Earth with reliable and ubiquitous coverage.In terms of power, propagation delay, and coverage, low-Earth orbit (LEO) satellites are more suitable for IoT communications than other types of satellites.LEO satellite communications are currently facing two major challenges. The first one stems from their high speed yielding significant Doppler effects. The second challenge is the huge number of devices that could be connected to the latter satellites due to their field of view (FoV), which leads to a high probability of packet collisions. In this thesis, we deal with IoT communications with LEO satellites using low power wide area (LPWA) technologies in unlicensed bands. Typically, we focused on LoRa-like communications using chirp-based waveforms.On one hand, our first contribution is to propose several synchronization algorithms allowing to accurately decode LoRa-like signals received with random arrival times and with significant Doppler effects especially the Doppler time-variation.On the other hand, for energy efficiency reasons, most LPWA technologies in unlicensed bands adopt uncoordinated channel access schemes which leads to an increase in the probability of packet collisions, given the huge number of objects that can be connected to a LEO satellite.Thereby, our second major contribution consists in proposing novel approaches to decode interfering LoRa-like signals in uplink and downlink contexts, based on the successive interference cancellation (SIC) algorithm.La connexion d'un appareil à l'internet est aujourd'hui possible grâce à plusieurs technologies de communication. Cependant, une zone limitée de la planète peut actuellement être connectée à Internet via les réseaux cellulaires terrestres. Par conséquent, avec le développement de l'Internet des Objets (IoT en anglais) par satellite ces dernières années, il est possible de fournir des services de communication fiables dans les endroits où il n'y a pas de réseaux terrestres. Ainsi, l'IoT par satellite est un secteur très ambitieux permettant de couvrir la Terre d'une couverture fiable et omniprésente.En termes de puissance, de délai de propagation et de couverture, les satellites en Orbite Terrestre Basse (OTB) sont plus adaptés aux communications IoT que les autres types de satellites.Les communications par satellites en OTB sont actuellement confrontées à deux défis majeurs. Le premier est lié à leurs vitesses élevées qui entraînent des effets Doppler importants. Le second défi est le nombre énorme de terminaux qui pourraient être connectés à ces derniers satellites en raison de leur champ de vision, ce qui conduit à des collisions de paquets très probables. Dans cette thèse, nous traitons des communications IoT avec les satellites LEO en utilisant des technologies LPWA (low power wide area) dans des bandes sans licence. Typiquement, nous nous sommes concentrés sur les communications de type LoRa en utilisant des formes d'onde basées sur le chirp.D'une part, notre première contribution est de proposer plusieurs algorithmes de synchronisation permettant de décoder avec précision des signaux de type LoRa reçus avec des temps d'arrivée aléatoires et avec des effets Doppler significatifs, notamment la variation temporelle du Doppler.D'autre part, afin de réduire la consommation d'énergie pour les objets connectés, la plupart des technologies LPWA dans les bandes sans licence adoptent des schémas d'accès aléatoires aux canaux de fréquences qui conduisent à une augmentation de la probabilité de collisions de paquets, étant donné le grand nombre d'objets qui peuvent être connectés à un satellite en OTB.Notre deuxième contribution majeure consiste donc à proposer de nouvelles approches pour décoder les signaux de type LoRa en interférence dans les contextes de liaisons montantes et descendantes, en se basant sur un algorithme d'annulation successive des interférences

Low-Earth-Orbit satellite communications using LoRa-like signals

La connexion d'un appareil à l'internet est aujourd'hui possible grâce à plusieurs technologies de communication. Cependant, une zone limitée de la planète peut actuellement être connectée à Internet via les réseaux cellulaires terrestres. Par conséquent, avec le développement de l'Internet des Objets (IoT en anglais) par satellite ces dernières années, il est possible de fournir des services de communication fiables dans les endroits où il n'y a pas de réseaux terrestres. Ainsi, l'IoT par satellite est un secteur très ambitieux permettant de couvrir la Terre d'une couverture fiable et omniprésente.En termes de puissance, de délai de propagation et de couverture, les satellites en Orbite Terrestre Basse (OTB) sont plus adaptés aux communications IoT que les autres types de satellites.Les communications par satellites en OTB sont actuellement confrontées à deux défis majeurs. Le premier est lié à leurs vitesses élevées qui entraînent des effets Doppler importants. Le second défi est le nombre énorme de terminaux qui pourraient être connectés à ces derniers satellites en raison de leur champ de vision, ce qui conduit à des collisions de paquets très probables. Dans cette thèse, nous traitons des communications IoT avec les satellites LEO en utilisant des technologies LPWA (low power wide area) dans des bandes sans licence. Typiquement, nous nous sommes concentrés sur les communications de type LoRa en utilisant des formes d'onde basées sur le chirp.D'une part, notre première contribution est de proposer plusieurs algorithmes de synchronisation permettant de décoder avec précision des signaux de type LoRa reçus avec des temps d'arrivée aléatoires et avec des effets Doppler significatifs, notamment la variation temporelle du Doppler.D'autre part, afin de réduire la consommation d'énergie pour les objets connectés, la plupart des technologies LPWA dans les bandes sans licence adoptent des schémas d'accès aléatoires aux canaux de fréquences qui conduisent à une augmentation de la probabilité de collisions de paquets, étant donné le grand nombre d'objets qui peuvent être connectés à un satellite en OTB.Notre deuxième contribution majeure consiste donc à proposer de nouvelles approches pour décoder les signaux de type LoRa en interférence dans les contextes de liaisons montantes et descendantes, en se basant sur un algorithme d'annulation successive des interférences.Connecting a device to the Internet is nowadays possible through several communication technologies. However, a limited area of the planet is currently connectable to the Internet via terrestrial cellular networks.Therefore, with the development of satellite Internet of Things (IoT) in recent years, it is possible to provide reliable communication services for places where there are no terrestrial networks. Thus, satellite IoT is a very ambitious sector allowing to blanketing the Earth with reliable and ubiquitous coverage.In terms of power, propagation delay, and coverage, low-Earth orbit (LEO) satellites are more suitable for IoT communications than other types of satellites.LEO satellite communications are currently facing two major challenges. The first one stems from their high speed yielding significant Doppler effects. The second challenge is the huge number of devices that could be connected to the latter satellites due to their field of view (FoV), which leads to a high probability of packet collisions. In this thesis, we deal with IoT communications with LEO satellites using low power wide area (LPWA) technologies in unlicensed bands. Typically, we focused on LoRa-like communications using chirp-based waveforms.On one hand, our first contribution is to propose several synchronization algorithms allowing to accurately decode LoRa-like signals received with random arrival times and with significant Doppler effects especially the Doppler time-variation.On the other hand, for energy efficiency reasons, most LPWA technologies in unlicensed bands adopt uncoordinated channel access schemes which leads to an increase in the probability of packet collisions, given the huge number of objects that can be connected to a LEO satellite.Thereby, our second major contribution consists in proposing novel approaches to decode interfering LoRa-like signals in uplink and downlink contexts, based on the successive interference cancellation (SIC) algorithm

Communications par satellite en orbite basse en utilisant des signaux de type LoRa

La connexion d'un appareil à l'internet est aujourd'hui possible grâce à plusieurs technologies de communication. Cependant, une zone limitée de la planète peut actuellement être connectée à Internet via les réseaux cellulaires terrestres. Par conséquent, avec le développement de l'Internet des Objets (IoT en anglais) par satellite ces dernières années, il est possible de fournir des services de communication fiables dans les endroits où il n'y a pas de réseaux terrestres. Ainsi, l'IoT par satellite est un secteur très ambitieux permettant de couvrir la Terre d'une couverture fiable et omniprésente.En termes de puissance, de délai de propagation et de couverture, les satellites en Orbite Terrestre Basse (OTB) sont plus adaptés aux communications IoT que les autres types de satellites.Les communications par satellites en OTB sont actuellement confrontées à deux défis majeurs. Le premier est lié à leurs vitesses élevées qui entraînent des effets Doppler importants. Le second défi est le nombre énorme de terminaux qui pourraient être connectés à ces derniers satellites en raison de leur champ de vision, ce qui conduit à des collisions de paquets très probables. Dans cette thèse, nous traitons des communications IoT avec les satellites LEO en utilisant des technologies LPWA (low power wide area) dans des bandes sans licence. Typiquement, nous nous sommes concentrés sur les communications de type LoRa en utilisant des formes d'onde basées sur le chirp.D'une part, notre première contribution est de proposer plusieurs algorithmes de synchronisation permettant de décoder avec précision des signaux de type LoRa reçus avec des temps d'arrivée aléatoires et avec des effets Doppler significatifs, notamment la variation temporelle du Doppler.D'autre part, afin de réduire la consommation d'énergie pour les objets connectés, la plupart des technologies LPWA dans les bandes sans licence adoptent des schémas d'accès aléatoires aux canaux de fréquences qui conduisent à une augmentation de la probabilité de collisions de paquets, étant donné le grand nombre d'objets qui peuvent être connectés à un satellite en OTB.Notre deuxième contribution majeure consiste donc à proposer de nouvelles approches pour décoder les signaux de type LoRa en interférence dans les contextes de liaisons montantes et descendantes, en se basant sur un algorithme d'annulation successive des interférences.Connecting a device to the Internet is nowadays possible through several communication technologies. However, a limited area of the planet is currently connectable to the Internet via terrestrial cellular networks.Therefore, with the development of satellite Internet of Things (IoT) in recent years, it is possible to provide reliable communication services for places where there are no terrestrial networks. Thus, satellite IoT is a very ambitious sector allowing to blanketing the Earth with reliable and ubiquitous coverage.In terms of power, propagation delay, and coverage, low-Earth orbit (LEO) satellites are more suitable for IoT communications than other types of satellites.LEO satellite communications are currently facing two major challenges. The first one stems from their high speed yielding significant Doppler effects. The second challenge is the huge number of devices that could be connected to the latter satellites due to their field of view (FoV), which leads to a high probability of packet collisions. In this thesis, we deal with IoT communications with LEO satellites using low power wide area (LPWA) technologies in unlicensed bands. Typically, we focused on LoRa-like communications using chirp-based waveforms.On one hand, our first contribution is to propose several synchronization algorithms allowing to accurately decode LoRa-like signals received with random arrival times and with significant Doppler effects especially the Doppler time-variation.On the other hand, for energy efficiency reasons, most LPWA technologies in unlicensed bands adopt uncoordinated channel access schemes which leads to an increase in the probability of packet collisions, given the huge number of objects that can be connected to a LEO satellite.Thereby, our second major contribution consists in proposing novel approaches to decode interfering LoRa-like signals in uplink and downlink contexts, based on the successive interference cancellation (SIC) algorithm

A New LoRa-like Transceiver Suited for LEO Satellite Communications

LoRa is based on the chirp spread spectrum (CSS) modulation, which has been developed for low power and long-range wireless Internet of Things (IoT) communications. The structure of LoRa signals makes their decoding performance extremely sensitive to synchronization errors. To alleviate this constraint, we propose a modification of the LoRa physical layer, which we refer to as differential CSS (DCSS), associated with an original synchronization algorithm. Based on this modification, we are able to demodulate the received signals without performing a complete frequency synchronization and by tolerating some timing synchronization errors. Hence, our receiver can handle ultra narrow band LoRa-like signals since it has no limitation on the maximum carrier frequency offset, as is actually the case in the deployed LoRa receivers. In addition, in the presence of the Doppler shift varying along the packet duration, DCSS shows better performance than CSS, which makes our proposed receiver a good candidate for communication with a low-Earth orbit (LEO) satellite

Implantation d'un détecteur de préambules vobulés par satellite en orbite basse

International audienceInternet of Things (IoT) has been undergoing a revolution with the deployment of gateways in low earth orbit (LEO). This revolution offers what IoT has been promising since its inception, namely the connection of an object regardless of its position on Earth. Several physical layers have shown to have the sensitivity for such communications. In this paper, we propose a solution allowing an IoT operator via LEO satellite to detect these different packets based on a same preamble.Le monde de l'Internet des objets (IoT) subit depuis quelques temps une révolution avec le déploiement de passerelles en orbite basse terrestre. Cette révolution permet d'offrir ce que l'IoT promet depuis son apparition à savoir la connexion d'un objet quelle que soit sa position sur Terre. Plusieurs couches physiques ont montré qu'elles avaient la sensibilité pour de telles communications. Dans cet article, nous proposons une solution permettant à un opérateur IoT par satellite LEO de détecter ces différents paquets sur la base d'un préambule unique

Implantation d'un détecteur de préambules vobulés par satellite en orbite basse

International audienceInternet of Things (IoT) has been undergoing a revolution with the deployment of gateways in low earth orbit (LEO). This revolution offers what IoT has been promising since its inception, namely the connection of an object regardless of its position on Earth. Several physical layers have shown to have the sensitivity for such communications. In this paper, we propose a solution allowing an IoT operator via LEO satellite to detect these different packets based on a same preamble.Le monde de l'Internet des objets (IoT) subit depuis quelques temps une révolution avec le déploiement de passerelles en orbite basse terrestre. Cette révolution permet d'offrir ce que l'IoT promet depuis son apparition à savoir la connexion d'un objet quelle que soit sa position sur Terre. Plusieurs couches physiques ont montré qu'elles avaient la sensibilité pour de telles communications. Dans cet article, nous proposons une solution permettant à un opérateur IoT par satellite LEO de détecter ces différents paquets sur la base d'un préambule unique

Implantation d'un détecteur de préambules vobulés par satellite en orbite basse

International audienceInternet of Things (IoT) has been undergoing a revolution with the deployment of gateways in low earth orbit (LEO). This revolution offers what IoT has been promising since its inception, namely the connection of an object regardless of its position on Earth. Several physical layers have shown to have the sensitivity for such communications. In this paper, we propose a solution allowing an IoT operator via LEO satellite to detect these different packets based on a same preamble.Le monde de l'Internet des objets (IoT) subit depuis quelques temps une révolution avec le déploiement de passerelles en orbite basse terrestre. Cette révolution permet d'offrir ce que l'IoT promet depuis son apparition à savoir la connexion d'un objet quelle que soit sa position sur Terre. Plusieurs couches physiques ont montré qu'elles avaient la sensibilité pour de telles communications. Dans cet article, nous proposons une solution permettant à un opérateur IoT par satellite LEO de détecter ces différents paquets sur la base d'un préambule unique

An Enhanced LoRa-Like Receiver for the Simultaneous Reception of Two Interfering Signals

International audienceThe Internet of Things (IoT) has many applications such as health monitoring or home automation. All of this leads to an increase of connected objects and thus interference between them. Various technologies are used to connect these devices. Among them, we find the Long Range (LoRa) technology. In this paper we propose a new receiver able to decode two IoT LoRa-Like signals simultaneously received with the same spreading factor. To our knowledge this problem has never been addressed before. Based on the particular structure of the received signal we show how to estimate the time shift between the two received signals in order to process the unsynchronized signal. Different algorithms are proposed to improve actual LoRa-Like receivers through simulations and real LoRa communications