Closed-loop frequency error compensation for LoRa direct-to-satellite communications

Abstract

A modulação LoRa e a pilha de rede LoRaWAN são tecnologias promissoras para a conec- tividade direta via satélite (DtS) da Internet das Coisas (IoT). No entanto, o desempenho da modulação LoRa é significativamente degradado pelos desvios de frequência induzidos pelo efeito Doppler, decorrentes da velocidade relativa de satélites de órbita terrestre baixa (LEO). O desvio de frequência distorce os sinais por meio de atenuação parcial nos filtros de seleção de canal e prejudica o uso de configurações com longo tempo no ar (ToA), como fatores de espalhamento elevados que aumentam a sensibilidade, devido à perda de sincronização de frequência causada pela variação do desvio ao longo do pacote. Embora trabalhos anteriores tenham proposto técnicas de compensação estática do desvio de frequência, o problema da perda de sincronização permanece sem solução. Este trabalho propõe um método de rastreamento e compensação de desvio de frequência, baseado no aumento da resolução da transformada de Fourier discreta (DFT) utilizada na demodu- lação, por meio de preenchimento com zeros (zero padding), e na aplicação de um loop de rastreamento tipo 2, símbolo a símbolo, para estimar continuamente a variação no desvio de frequência e compensá-lo por meio de deslocamento circular da DFT. Os resultados simulados demonstram a viabilidade do método proposto, com desempenho aprimorado em elevações de satélite acima de 30◦ para todos os cenários simulados, apresentando desempenho robusto na taxa de erro mesmo quando a compensação estática falha. O sistema resultante viabiliza o uso de configurações com ToA mais longo, aumentando a confiabilidade e o alcance da modulação LoRa em aplicações DtS.

The LoRa modulation and the LoRaWAN network stack are promising technologies for direct-to-satellite (DtS) Internet of Things (IoT) connectivity. However, the performance of the LoRa modulation is significantly degraded by the frequency offsets induced by the Doppler effect because of the relative velocity of low Earth orbit (LEO) satellites. The frequency offset distorts the signals through partial attenuation in the channel selection filters and makes long time-on-air (ToA) configurations, such as high spreading factors that improve sensitivity, impractical due to loss of synchronization caused by variation in the frequency offset along the packet. While prior works have proposed techniques for static frequency offset compensation, the issue of synchronization loss remains unaddressed. This work proposes a novel frequency offset tracking and compensation method based on increasing the resolution of the discrete Fourier transform (DFT) used in demodulation through zero padding and applying a symbol-by-symbol Type-2 tracking loop to continu- ously estimate the variation in the frequency offset and compensate via circular shifting of the DFT. The simulated results demonstrate the viability of the proposed method by showing improved performance at satellite elevations above 30◦ for all simulated sce- narios, with robust error rate performance when static compensation fails. The resulting system enables longer ToA configurations, enhancing the reliability and range of the LoRa modulation in DtS applications.