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Implementation and evaluation of a relay system for LoRaWAN-based IoT networks
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Abstract
The rapid expansion of IoT has revolutionized various industries, yet its growth remains limited in remote areas where traditional network infrastructures, such as mobile networks and satellites, are either unreliable or too costly to implement. This thesis explores the use of LoRaWAN as a promising solution for low-power, long-range communication in remote locations. Despite its advantages, LoRaWAN faces challenges in areas with weak backhaul infrastructure or longdistance communication needs. To address these issues, this work proposes and implements a relay system composed of two devices: the C-Mesh, which acts as a gateway and listens continuously to end-devices messages and the C-Point, which encapsulates and forwards those uplinks. A dedicated communication protocol between C-Mesh and C-Point was developed, including a mechanism to update OTAA session keys over BLE. The potential of LoRa Mesh and satellite networks is also explored, along with the study of existing relay systems, such as the TS011-1.0.0 specification, that provide useful design insights. Field tests showed that the proposed relay increased delivery from 12.0% to 47.3% and raised the message receptions with SNR > 0 dB from 16.2% to 42.1%, confirming its role in extending LoRaWAN coverage and improving signal quality.
A rápida expansão da IoT tem vindo a revolucionar vários sectores, mas o seu crescimento permanece limitado em áreas remotas, onde as infraestruturas de rede tradicionais, como redes móveis ou satélites, são pouco fiáveis ou demasiado dispendiosas de implementar. Esta tese explora o uso de LoRaWAN como uma solução promissora para comunicações de baixo consumo e longo alcance em locais remotos. Apesar das suas vantagens, o LoRaWAN enfrenta desafios em zonas com fraca infraestrutura de backhaul ou com necessidades de comunicação a longas distâncias. Para responder a estes desafios, este trabalho propõe e implementa um sistema de repetição composto por dois dispositivos: o C-Mesh, que actua como gateway e escuta continuamente as mensagens dos dispositivos finais, e o C-Point, que encapsula e reencaminha essas mensagens. Foi ainda desenvolvido um protocolo de comunicação dedicado entre o C-Mesh e o C-Point, incluindo um mecanismo de actualização das chaves OTAA através de BLE. É também explorado o potencial das redes LoRa Mesh e das redes por satélite, bem como o estudo de sistemas de repetição existentes, como a especificação TS011-1.0.0, que fornecem contributos relevantes para o desenho da solução. Os testes de campo demonstraram que o repetidor proposto aumentou a taxa de entrega de 12,0% para 47,3% e elevou as receções com SNR > 0 dB de 16,2% para 42,1%, confirmando o seu papel na extensão da cobertura LoRaWAN e na melhoria da qualidade do sinal.
A rápida expansão da IoT tem vindo a revolucionar vários sectores, mas o seu crescimento permanece limitado em áreas remotas, onde as infraestruturas de rede tradicionais, como redes móveis ou satélites, são pouco fiáveis ou demasiado dispendiosas de implementar. Esta tese explora o uso de LoRaWAN como uma solução promissora para comunicações de baixo consumo e longo alcance em locais remotos. Apesar das suas vantagens, o LoRaWAN enfrenta desafios em zonas com fraca infraestrutura de backhaul ou com necessidades de comunicação a longas distâncias. Para responder a estes desafios, este trabalho propõe e implementa um sistema de repetição composto por dois dispositivos: o C-Mesh, que actua como gateway e escuta continuamente as mensagens dos dispositivos finais, e o C-Point, que encapsula e reencaminha essas mensagens. Foi ainda desenvolvido um protocolo de comunicação dedicado entre o C-Mesh e o C-Point, incluindo um mecanismo de actualização das chaves OTAA através de BLE. É também explorado o potencial das redes LoRa Mesh e das redes por satélite, bem como o estudo de sistemas de repetição existentes, como a especificação TS011-1.0.0, que fornecem contributos relevantes para o desenho da solução. Os testes de campo demonstraram que o repetidor proposto aumentou a taxa de entrega de 12,0% para 47,3% e elevou as receções com SNR > 0 dB de 16,2% para 42,1%, confirmando o seu papel na extensão da cobertura LoRaWAN e na melhoria da qualidade do sinal.
Descrição
Palavras-chave
IoT LoRaWAN LPWAN Network coverage extension Relay system Edge computing Extensão de cobertura de rede Sistema de repetição Computação na periferia