<p>How LoRa/LoRaWAN performance evaluation in various environmental scenarios has been an active research topic for researchers, and there are many existing works carried out in outdoor scenarios. On top of that, it is necessary to study how LoRa/LoRaWAN performs in indoor environments as one of the fast-growing IoT network mechanisms. However, few studies are found to work on LoRa and LoRaWAN performance evaluation in indoor scenarios. This study focuses on a real-world experiment to understand how LoRa radio signals behave according to its physical layer parameter settings.</p><p>Data is collected through real-world experiments in a campus environment. The experiments for data sample collection were conducted in September 2021 in the Purdue Campus area in West Lafayette, Indiana, United States. LoRa transceivers with the SX1276 module are deployed operating in the 915MHz frequency band on both LoRa RX and TX end nodes in this study. The data transmitted between LoRa transmitter and LoRa receiver is packet-sized (17 bytes) messages. </p><p>For data collection, LoRa module is configured with 36 PHY parameter settings – three spreading factors (7, 9, 11), three signal bandwidths (125kHz, 250kHz, 500kHz), and four coding rates (4/5, 4/6, 4/7, 4/8). Test devices are the Dragino LoRa shields equipped with SX1276 radio modules in 915MHz frequency bands. The experiment is conducted at three different distances – 10m, 20m, and 40m – between LoRa TX node and LoRa RX node in indoor office buildings in Purdue University West Lafayette Campus, US.</p> <p>The RSSI and SNR are measured to characterize the link performance of Lora. The Received Signal Strength Indication (RSSI) and Signal-to-Noise Ratio (SNR) are two Physical level indicators available on wireless radio chips. In addition to them, the LoRa communication reliability is calculated based on the Received Packet Ratio (RPR) out of transmitted packets with different PHY settings at each distance.</p>

Ingeniero Civil Eléctrico / Grandes empresas relacionadas a la innovación en telecomunicaciones a nivel mundial como IBM, CISCO y Nokia están desarrollando nuevas tecnologías y servicios para el Internet of Things (IoT), entre ellas nuevas técnicas de modulación de señales, como Chirp Spread Spectrum (CSS), que han permitido la creación de un nuevo tipo de redes de bajo consumo y grandes áreas de cobertura. El termino acuñado para estas redes es Low Power Wide Area Networks (LPWAN) y ellas se caracterizan por lograr rangos de cobertura del orden de los kilómetros, pero con un consumo de energía mínimo que permite mantener los nodos de la red por años en funcionamiento de manera remota sin un cambio de batería. El desarrollo de este nuevo tipo de redes va de la mano con la aparición de las Wireless Sensor Network (WSN), redes ubicuas y redes mesh acercándonos a un futuro en donde se pueda conocer y controlar diversos aspectos de nuestro entorno de forma remota, en tiempo real y a bajo costo. La tecnología estudiada en este trabajo es LoRa la cual permite enviar información con un bajo costo energético y ser recibida a largas distancias gracias a sus altos niveles de sensibilidad (-130[dBm]). En este trabajo se explicarán en detalle los fundamentos de estas características y se mostrará el análisis gráfico de un radio-enlace de LoRa en un ambiente urbano. El estudio fue llevado a cabo en la ciudad de Santiago Chile, en la intersección de las comunas de Macul y Ñuñoa. Se integraron distintos Hardwares para crear un sistema de comunicación inalámbrico LoRa que opera en la banda ISM de 915[MHz] y permite asociar los parámetros del radio enlace con su respectiva posición georreferenciada. Fue posible obtener rangos de buena cobertura entre los 500[m] y los 700[m], y ademas se encontraron zonas de cobertura adicional a aproximadamente 1[km] de distancia entre el nodo transmisor y la estación base. Esta memoria es parcialmente financiada por Telefónica Investigación y Desarrollo Chile, con el objetivo de desarrollar pruebas reales que permitan analizar y validar los resultados teóricos ofrecidos por esta nueva tecnología y además hacerse del Know How necesario para utilizar estas tecnologías en desarrollos nacionales. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Telefónica Investigación y Desarrollo Chile

As the new paradigm of data collection enabled by the advancements in wireless technology and digital electronics, small sensing devices have started to be used in everyday life. These devices are capable of sensing, computing, communicating, and forming a wireless sensor network (WSN) which is necessary to provide sensing services and to monitor various conditions. In addition to WSNs, the idea of Internet of Things (IoT) has started to draw more attention. IoT is defined as an interconnection between identifiable devices within the internet for sensing and monitoring processes. This dissertation addresses the development of wireless network and process control for two challenging IoT applications, namely smart agriculture and industrial lyophilization.<div><br><div>Smart agriculture refers to the concept of using modern technology to increase the quantity and quality of agricultural products. This dissertation presents a novel hybrid large-area IoT network by combining the low-power wide-area network (LPWAN) as well as ultra-low-power wireless personal area networks (WPAN) that delivers wide-area coverage while maintaining low-power operation. </div><div><br></div><div>Lyophilization is the process of removing water content from a material with the objective of increasing its stability and, hence, its shelf life. Continuous inline process tracking is imperative to a successful lyophilization process in industrial pharmaceuticals. To address this need, this dissertation presents two wireless sensing systems that are capable of monitoring lyophilization process with detailed design and demonstration<br></div></div>

Although water is incredibly abundant on Earth, only 2.5 % of the water reserve is freshwater, and one third of the world’s population lacks safe drinking water. Water quality monitoring (WQM) is thus a crucial asset to safeguard this invaluable resource. Gaining popularity in the 1960s, WQM has since evolved from a lab-based, labour-intensive program to an increasingly automated operation. Today, autonomous sensors automatically assess water quality, albeit with surpassed technology, complex procedures, and expensive equipment. This thesis presents a next-generation, IoT-based WQM system, capable of unparalleled high-frequency data collection at a fraction of the cost of present-day solutions, that operates via The Thing Network’s public LoRaWAN connectivity. The system is validated through a lightweight prototype buoy, which is deployed on a 14-days-long campaign in the lakes of Stockholm. The study concludes that (i) The Things Network is a promising backbone for monitoring applications in the smart city, with an estimated current 57 % coverage of Stockholm; (ii) IoT devices can harvest sufficient solar energy to deliver 30–60 messages/h all year round even at high latitudes; (iii) IoT-based WQM has the potential for unprecedented resolution, energy-efficiency, and cost-effectiveness compared to traditional industrial-grade, cellular-based systems. / Även om vatten är otroligt rikligt på jorden, är bara 2,5 % av vattenreserven sötvatten, och en tredjedel av världens befolkning saknar säkert dricksvatten. Water quality monitoring (WQM) är således en avgörande tillgång för att skydda denna ovärderliga resurs. WQM blev allt populärare på 1960-talet och har sedan dess utvecklats från ett labbaserat, arbetskrävande program till en alltmer automatiserad verksamhet. Idag bedömer autonoma sensorer automatiskt vattenkvaliteten, om än med överträffad teknik, komplexa förfaranden och dyr utrustning. Denna avhandling presenterar ett nästa generations, IoT-baserade WQM-system, som kan möta högfrekvent datainsamling utan motstycke till en bråkdel av kostnaden för dagens lösningar, som fungerar via The Things Network offentliga LoRaWAN-anslutning. Systemet valideras genom en lätt prototypboj, som används på en 14 dagar lång kampanj i Stockholms sjöar. Studien drar slutsatsen att (i) The Things Network är en lovande ryggrad för övervakning av applikationer i den smart city, med en uppskattningsvis 57 % täckning av Stockholm; (ii) IoT-enheter kan skörda tillräckligt med solenergi för att leverera 30-60 meddelanden/timme året runt även på höga breddgrader; (iii) IoT-baserat WQM har potential för oöverträffad upplösning, energieffektivitet och kostnadseffektivitet jämfört med traditionella, industriella, cellbaserade system.

Detta arbete utfördes i samarbete med Blekinge Idrottsförbund, huvudsyftet var att utforska teknologier som kunde användas för implementationen av ett tidtagningssystem samt att utveckla en prototyp för detta system. Teknologierna som undersöktes är Radio-frequency identification (RFID) och Low-Power Wide-Area Network (LPWAN). Arbetet utfördes agilt med ett flertal olika faser som alla hårdvarumoduler gick igenom, dessa inkluderar förstudie-, utveckling-, experiment- och testfaser. Undersökningen som gjordes var empirisk med fokus på experiment och kvasi-experiment. Denna undersökning ledde till utvecklandet av en prototyp för ett tidtagnings system. Största delen av arbetet utfördes i OpenLabs på Blekinge Tekniska Högskola i Karlskrona. Några av frågorna som besvarades under arbetet handlade om avläsningen av RFID-taggar, där bl.a. hastigheten och antennområde vid avläsning undersöktes. För LPWAN besvarades frågorna om maximal räckvidd samt bandbredd för en LoRa-modul. Resultaten från arbetet blev att LoRamodulen kunde kommunicera upp till 2,36 km från markhöjd i stadsmiljö och att RFID-läsaren kunde läsa av taggar stabilt i hastigheter upp till 30 km/h på avstånd upp till 2,4 m. Detta innebär att begränsningarna och olika variabler identifierats för att kunna optimera och fortsätta utvecklingen av prototypen.

The current focus on the Internet of Things (IoT) has led to the emergence of many network scenarios with unlimited use cases, including smart homes, smart cities, smart agriculture, and more. Unmanned aerial vehicles (UAVs), also known as drones, have become increasingly popular due to their versatility and ability to collect and transmit data through various sensors and cameras. With real-time data transmission, autonomy, and cost-effectiveness, UAVs have become valuable tools for different applications, including disaster management, agriculture monitoring, and remote area control. Low-power wide-area network (LPWAN) technology plays a crucial role in enabling IoT, and LoRaWAN is one of the specific LPWAN communication technologies that can provide low power consumption and coverage over a wide range. During a catastrophe, wireless communication is critical for analyzing damaged regions, coordinating rescue and relief team actions, saving lives, and reducing economic losses. UAVs can partially replace damaged or overloaded wireless networks as an alternative wireless network provider. This thesis aimed to simulate a LoRa network and investigate the relationship between the UAV coverage radius and elevation angle, as well as the effect of multipath distortion and signal attenuation on UAV and user distance. By calculating signal-to-noise ratio (SNR) and bit error rate (BER) for LoRa in a line-of-sight (LoS) and non-line-of-sight (NLoS) environment, we provided a comprehensive analysis of LoRaWAN performance in real-life environments for long distances. The results indicate that LoRaWAN communication is reliable in various environments, making it a promising technology for emergency and medical communications. / Det nuvarande fokuset på Internet of Things (IoT) har lett till uppkomsten av många nätverksscenarier med obegränsade användningsfall, inklusive smarta hem, smarta städer, smart jordbruk och mer. Obemannade flygfarkoster (UAV), även kända som drönare, har blivit allt populärare på grund av deras mångsidighet och förmåga att samla in och överföra data genom olika sensorer och kameror. Med realtidsdataöverföring, autonomi och kostnadseffektivitet har UAVs blivit värdefulla verktyg för olika applikationer, inklusive katastrofhantering, jordbruksövervakning och fjärrkontroll av områden. Low-power wide-area network (LPWAN)-teknik spelar en avgörande roll för att möjliggöra IoT, och LoRaWAN är en av de specifika LPWAN-kommunikationsteknikerna som kan ge låg strömförbrukning och täckning över ett brett spektrum. Under en katastrof är trådlös kommunikation avgörande för att analysera skadade regioner, koordinera räddnings- och hjälpteams åtgärder, rädda liv och minska ekonomiska förluster. UAV:er kan delvis ersätta skadade eller överbelastade trådlösa nätverk som en alternativ leverantör av trådlöst nätverk. Detta examensarbete syftade till att simulera ett LoRa-nätverk och undersöka sambandet mellan UAV-täckningsradien och höjdvinkeln, såväl som effekten av flervägsdistorsion och signaldämpning på UAV och användaravstånd. Genom att beräkna signal-brusförhållande (SNR) och bitfelsfrekvens (BER) för LoRa i en siktlinje (LoS) och icke-siktlinje (NLoS) miljö, gav vi en omfattande analys av LoRaWAN prestanda i verkliga miljöer för långa avstånd. Resultaten indikerar att LoRaWAN-kommunikation är tillförlitlig i olika miljöer, vilket gör den till en lovande teknik för akut- och medicinsk kommunikation.

IoT är en marknad som har växt fort under de senaste åren och skapat sig en egen industri. Kärnan i IoT är internetanslutningen och i många fall är mobil kommunikation den bästa lösningen för en IoT-produkt. Problemet är att det inte finns något självklart val av mobil kommunikation för användning i en IoT-produkt. Den mobila kommunikationsbranschen har reagerat på det nya behovet av mobil kommunikationsstandard för IoT och 2016 släppte 3GPP en ny standard av typen LPWAN kallad NB-IoT. Flera företag verkar för att implementera denna standard, och det finns ett behov av att undersöka hur applikationer kan utnyttja standarden på ett effektivt sätt. Denna uppsats presenterar en jämförelse mellan två applikationer som använder olika ALP, HTTP och CoAP, i en LPWAN-kontext. Resultaten av denna jämförelse visar att det finns mycket att vinna på att välja CoAP istället för HTTP, speciellt i en IoT-miljö som applikationerna presenterade i denna uppsats. Uppsatsen presenterar även en samling egenskaper som en applikation bör ha för att utnyttja en LPWAN-kommunikationsstandard effektivt. / The Internet of Things (IoT) is a market that has grown very fast in the last few years,creating an industry of its own. The core of IoT is the Internet connectivity and many times, the best solution for an IoT device is to use some form of mobile connection to solve this. The problem is that there is no obvious choice of mobile communication standard for use in an IoT device. The mobile communications industry has reacted to this newly emerged need of amobile communications standard designed for the IoT domain and in 2016 the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) released a Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) type of standard named Narrowband IoT (NB-IoT). Several companies are working on implementing this standard, and there is a need to investigate how applications can utilize the standard effectively. This thesis presents a comparison between two applications using different ApplicationLayer Protocol (ALP)s, Hyper-Text Transfer Protocol (HTTP) and Constrained Application Protocol (CoAP), in an LPWAN context. The results of this comparison shows that there is a lot to gain by choosing CoAP over HTTP, especially in an IoT environment such as the applications presented in this thesis. The thesis also presents a collection of properties that applications should have to use an LPWAN effectively.

Les zones blanches étendues sont de vastes espaces géographiques (forêts, déserts), sans ou ayant très peu d’infrastructures telles que les routes, les réseaux électriques ou de télécommunication. Cependant, très souvent, dans ces zones se développent de nombreuses activités économiques ou environnementales telles que le monitoring de l’environnement, la surveillance d’une frontière ou d’une installation de pipeline, ou encore la prévention des feux de forêt. Grâce aux techniques de télédétection et de communication, une fonction clé de ces activités repose sur la collecte d’informations issues de capteurs qui sont transmises à un centre d’analyse distant. Nous proposons des solutions réseau afin d’effectuer la collecte de ces données dans les zones blanches étendues grâce à des technologies de communication longue distance et faible énergie, de type LoRaWAN. Pour le problème du déploiement du réseau de capteurs sans fil dans ces zones difficiles, nous avons proposé une heuristique inspirée de la croissance biologique d’un champignon, le physarum. Le physarum est capable de créer un corps complexe de liens pour trouver de la nourriture nécessaire à sa survie tout en optimisant ses propres ressources corporelles lors des périodes de disette. Ce principe d’optimisation a été adapté au domaine des réseaux pour déployer un réseau tolérant aux fautes, tout en minimisant le nombre de ressources ou relais à placer sur la zone d’intérêt. Nous nous sommes ensuite intéressés à la collecte opportuniste de données dans les zones blanches afin de pouvoir collecter l’information des nœuds trop éloignés d’une station relais. Nous avons développé une méthode de collecte basée sur les avions de ligne qui survole le territoire. Durant une fenêtre de communication, l’avion est à portée d’un capteur et peut ainsi collecter les données stockées qui seront livrées au serveur à l’atterrissage de l’avion. Notre dernière contribution utilise conjointement les deux méthodes précédentes, pour permettre à la fois le déploiement du réseau et la collecte des capteurs isolés. / Although wide white areas are not equipped or sparsely equipped with any infrastructure (energy, roads ...), strategic human activities are being carried out such as mines, forest, pipeline... To tackle the problem of deploying sensor networks in a very large area where few infrastructures are available, we propose a network deployment algorithm which aims at efficiently linking sparse points of interest in a very wide white area. The originality of the proposed method is that it mimics the evolution of a type of mold called physarum. Secondly, we aim at overcoming the deployment problem in wide white areas by using long range communication between an aircraft and earth. The new data collection scheme he proposes is based on the use of commercial flights to collect data while they cross over an area of interest. It investigates the feasibility of such a scheme by determining the collection capacity of commercial aircraft in different locations of the desert. Finally, we mixed both solutions do repatriate data from sensors not covered by any flight to a covered data sink that relays data to the aircraft.

Internet of Things(IoT) tillämpningar har ökat under de senaste åren och därför behövs nya kommunikationstekniker som uppfyller kriterierna låg strömförbrukning, lång räckvidd samt låg kostnad, som behövs för att distribuera tekniken i samhället. LoRa (Long Range) är en framstående trådlös kommunikationsteknik som utvecklades av LoRa Alliance för att uppfylla dessa kriterier.  Syftet med arbetet är att utveckla en mätmetod för prestandaanalys av radiosystemet LoRa. Mätmetoden används sedan för att analysera hur olika parametrar som datahastighet, avstånd och olika miljöer påverkar LoRa-nätverksprestandaparametrar dvs. signalstyrka, paketförluster, fördröjningar (latency) och fördröjningsvariationer (jitter).  För att uppnå syftet utvecklades först en mätningsmetod. Därefter genomfördes experiment i två olika miljöer (stadsmiljö och havsmiljö) för prestandaanalys av LoRa. I varje experiment positionerades en IoT-nod på olika avstånd och datapaket skickades med olika datahastigheter från IoT-noden till en gateway. Datahastigheten ändrades genom att ändra på spridningsfaktor (SF) och bandbredd. Passiv mätningsmetod användes för att samla in mätningsdata. Metoden som användes för att analysera resultaten var statistisk dataanalysmetod då de data som samlades in var kvantitativa.  Resultatet visar att signalstyrkan påverkas av miljö, avstånd och bandbredd. Signalstyrkan är starkare i fri sikt jämfört med stadsmiljö. Signalstyrkan är starkare även vid kortare avstånd och större bandbredd. Däremot har datahastigheten (SF) minimal påverkan på signalstyrkan. Att signalstyrkan påverkas av bandbredden är intressant resultat som inte kunde förutses innan. Paketförlusten påverkas av miljö, datahastighet (SF och bandbredd) och avstånd. Fler datapaket förloras vid längre avstånd och i stadsmiljön. Lägre datahastighet leder till att färre datapaket förloras och på så sätt längre kommunikationsräckvidd uppnås. Enligt tidigare arbetens simuleringar förutsågs att högre datahastighet leder till längre kommunikationsräckvidd men i den här studien genomfördes experiment på riktig hårdvara för att undersöka resultaten. Miljö, avstånd och datahastighet påverkar fördröjningen. Fördröjningen är några millisekunder längre i stadsmiljö än havsmiljö vid samma avstånd. Fördröjningen är även några millisekunder längre vid längre avstånd i samma miljö. Däremot har datahastighet största påverkan på fördröjningen. Fördröjningen ändras med några hundra millisekunder när datahastigheten ändras genom SF och/eller bandbredd.  Fördröjningsvariationen påverkas inte av miljö och avstånd. Datahastighet (bandbredd och SF) påverkar fördröjningsvariationen men denna påverkan är låg och man kan bortse från den. / The Internet of Things (IoT) use cases have increased significantly in recent years. Therefore, new wireless communication technologies are needed that meet the criteria such as low power consumption, long range and low cost. LoRa, which stands for "Long Range", is a wireless communication technology developed by the LoRa Alliance to meet these criteria.  The purpose of this paper is to a develop measurement method for performance analysis of the LoRa radio system. The measurement method used to analyze how different parameters such as data rate, distance and different environments affect LoRa network performance parameters i.e. signal strength, packet loss, latency and jitter. To achieve the purpose, a measurement method and prototype were first developed. Then experiments were carried out in two different environments (urban and open space). In each experiment, an IoT node was positioned at different distances and data packets were sent from the IoT node to a gateway with different data rates. The data rate was changed by changing the spreading factor (SF) and bandwidth. Passive measurement method was used to collect measurement data. The method used to analyze the results was the statistical data analysis method since the data collected was quantitative. The result shows that the signal strength is affected by the environment, distance and bandwidth. The signal strength is stronger in free view compared to urban environment. The signal strength is stronger even at shorter distances and greater bandwidth. However, the data rate (SF) has minimal impact on signal strength. The fact that the signal strength is affected by the bandwidth is interesting results that could not be predicted before. The packet loss is affected by the environment, data rate and distance. More data packets go lost at longer distances and in the urban environment. Lower data rate cause to fewer data packets go lost and a longer communication range being achieved. According to earlier work's simulations, it was possible to predict that higher data rates lead to longer communication range, but in this study experiments were carried out on real hardware to investigate the results. Environment, distance and data rate affect the delay. The delay is a few milliseconds longer in urban environment than the free space environment at the same distance. The delay is also a few milliseconds longer at longer distances in the same environment. However, data rate has the greatest impact on the delay. The delay changes by a few hundred milliseconds when the data rate is changed by SF and/or bandwidth. The jitter is not affected by the environment and distance. Data rate (bandwidth and SF) affects the delay variation but this influence is low and can be ignored.

Tato práce je zaměřena na návrh terénní bezdrátové senzorové sítě pro mikroklimatologická měření, zejména výronů juvenilního oxidu uhličitho v oblasti hydrotermílního krasu, založené na LoRaWAN. V teoretické části práce je předložen přehled cílové oblasti, možností řešení měření, získávání a přenosu dat. Praktická část se pak věnuje kompletnímu návrhu celého systému, to znamená od měřicího zařízení přes koncentrátor a gateway až po backend odesílání dat do cloudového úložiště. Výsledky tohoto komplexního problému jsou prezentovány průběžně a přílohy obsahují detailnější a názornější ukázky.