Zvýšení datové propustnosti technologie LoRa pomocí superpozice

Abstract

Jádrem disertační práce je prozkoumání a ověření metody řízené superpozice rámců s odlišnými faktory rozprostření pro zvýšení uživatelské datové propustnosti technologie LoRa. Východiskem je předpoklad, že vhodně zvoleným rozdělením uživatelských dat do dvou rámců, jež se v čase i frekvenci překrývají, může být v rámci jediného kanálu realizován paralelní přenos bez podstatného oslabení spolehlivosti příjmu. Navržený postup využívá řízené překrytí dvou přenosových větví a na straně přijímače předpokládá standardní detekci doplněnou o postupné odstraňování rušení. Klíčovou roli hraje jak volba dvojice faktorů rozprostření, tak izochronní rozdělení dat s cílem vyrovnat dobu vysílání a udržet obě větve s dostatečnou rezervou poměru signál–šum nad prahem demodulace. Metoda je formalizována, implementována a experimentálně ověřena v řízených laboratorních podmínkách. Pozornost je věnována identifikaci vhodných kombinací faktorů rozprostření, odhadu provozního nastavení výkonového rozdílu mezi větvemi a posouzení přínosu postupného odstraňování rušení. Dále je představen koncept jednotné hlavičky a preambule jako mechanismus pro snížení režijní zátěže. Výsledky ukazují, že navrženým řízením superpozice lze dosáhnout významného nárůstu přeneseného uživatelského objemu dat při pouze marginálním zhoršení robustnosti přenosu a při zachování souladu s regulačními omezeními v nelicencovaných pásmech. Práce tak přispívá k systematickému uchopení superpozice v kontextu LoRa a vymezuje podmínky, za nichž je její přínos prakticky dosažitelný.

The core of this dissertation is the study and verification of a method for controlled superposition of frames with different spreading factors, aimed at increasing the user data throughput of LoRa technology. The work is based on the assumption that, by appropriately splitting user data into two frames that overlap in time and frequency, parallel transmission can be achieved within a single channel without a substantial degradation of reception reliability. The proposed approach uses a controlled overlap of two transmission branches and, at the receiver, assumes standard detection extended by successive interference cancellation. Both the choice of the spreading-factor pair and an isochronous split of the data play a key role, with the aim of equalizing the time-on-air and maintaining both branches with sufficient signal-to-noise ratio margin above the demodulation threshold. The method is formalized, implemented, and experimentally verified under controlled laboratory conditions. Attention is given to identifying suitable combinations of spreading factors, estimating practical operating settings for the power offset between branches, and evaluating the benefit of successive interference cancellation. Furthermore, a single-header and single-preamble concept is introduced as a mechanism to reduce protocol overhead. The results show that the proposed controlled superposition can provide a significant increase in the transmitted user data volume while causing only marginal degradation of link robustness and maintaining compliance with regulatory limits in unlicensed bands. The work therefore offers a systematic treatment of superposition in the LoRa context and describes the conditions under which its benefits are practically achievable.