Date of Award
6-2024
Document Type
Thesis
Degree Name
Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)
Department
Electrical and Communication Engineering
First Advisor
Dr. Nasir Saeed
Abstract
This thesis investigates the potential of LoRa, a low-power, wide-area networking technology, for establishing reliable communication between underground sensors and aboveground infrastructure. We comprehensively analyze LoRa's performance in both single-hop and multi-hop configurations, considering the impact of diverse environmental factors such as soil composition, moisture content, underground transmission distance, and path loss on signal propagation. We delve into the crucial role of the spreading factor (SF) within the LoRa communication system, analyzing its influence on network performance. Furthermore, we develop a comprehensive mathematical model for bit error rate (BER) under various channel conditions, including additive white Gaussian noise (AWGN) and Rayleigh fading, encompassing multi-hop networks with decode-and-forward relays. Through simulations employing realistic Rayleigh fading scenarios, we validate the accuracy of our theoretical models. Our key findings highlight the importance of optimizing network parameters, particularly the SF, to achieve superior bit error rate performance, ultimately enhancing the overall network reliability. We demonstrate that multi-hop LoRa networks offer a significant advantage over single-hop configurations, especially in challenging underground environments. This extended reach via multi-hop makes LoRa a compelling technology for large-scale, reliable communication networks in diverse agricultural applications.
Arabic Abstract
تحليل أداء الاتصالات من تحت الأرض إلى فوق الأرض في شبكات الإنترنت الزراعية
خلاصة: تبحث هذه الأطروحة في إمكانيات نظام LoRa، وهي تقنية شبكات منخفضة الطاقة وواسعة النطاق، لإنشاء اتصال موثوق بين أجهزة الاستشعار تحت الأرض والبنية التحتية على الأرض. نقوم بتحليل شامل لآداء LoRa في كل من تكوينات القفز الفردي والمتعدد، مع الأخذ بعين الاعتبار تأثير العوامل البيئية المتنوعة مثل تكوين التربة ومستوى الرطوبة ومسافة الإرسال تحت الأرض وفقدان المسار عند انتشار الإشارة. كما نقوم بالبحث في الدور المهم لمعامل الانتشار (SF) داخل نظام اتصالات LoRa، ونحلل تأثيره على أداء الشبكة. علاوة على ذلك، نطور نموذجًا رياضيًا شاملاً لمعدل خطأ البت (BER) في ظل ظروف القنوات المختلفة، بما في ذلك ضوضاء Gaussian البيضاء المضافة (AWGN) ونموذج تلاشي Rayleigh، والذي يشمل شبكات متعددة القفزات باستخدام تقنية مرحلات فك التشفير وإعادة التوجيه . كما نقوم من خلال عمليات المحاكاة التي تستخدم سيناريوهات تلاشي Rayleigh الواقعية بالتحقق من دقة نماذجنا النظرية. و تسلط النتائج الرئيسية التي توصلنا إليها الضوء على أهمية تحسين عوامل الشبكة، لا سيما SF، للحصول على أفضل أداء لمعدل خطأ البت، مما يعزز في النهاية موثوقية الشبكة بشكل عام. كما أننا نثبت أن شبكات LoRa متعددة القفزات توفر ميزة كبيرة مقارنة بنظام القفزة الواحدة، خاصة في البيئات الصعبة تحت الأرض. يجعل هذا التوسع في النطاق عبر القفزات المتعددة تقنية LoRa مقنعة لشبكات الاتصال واسعة النطاق والموثوقة في التطبيقات الزراعية المتنوعة.
Recommended Citation
Manzil, Irfana Ilyas, "PERFORMANCE ANALYSIS OF UNDERGROUND-TO-ABOVEGROUND COMMUNICATION IN AGRICULTURAL IOT NETWORKS" (2024). Theses. 1283.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_theses/1283
