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

par Mohamed Amine Ben Temim

Thèse de doctorat en Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique

Sous la direction de Guillaume Ferre et de Toufik Ahmed.

Le président du jury était Yves Louët.

Le jury était composé de Guillaume Ferre, Toufik Ahmed, Yves Louët, Karine Cavalec-Amis, Olivier Berder, Romain Tajan.

Les rapporteurs étaient Karine Cavalec-Amis, Olivier Berder.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    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.


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