T E L K O M N I K T elec o m m un ica t io n Co m pu t ing   E lect ro nics   a nd   Co ntr o l   Vo l.  24 ,   No .   2 A p r il   20 26 ,   p p .   371 ~ 386   I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0 ,   DOI : 1 0 . 1 2 9 2 8 /TE L KOM NI KA. v 24 i 2 . 2 7 3 8 3          371       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //jo u r n a l.u a d . a c. id /in d ex . p h p /TELK OM N I K A   Nex g eneratio n   Lo Ra - ba sed resili ent  co mm uni ca tion sy stem f o r   disa ster mit ig a tio n and  relie o pera tions       Al - B a ra a   E ba d 1 ,   M o ha m m e d Aba k er 1 ,   B ila l A .   K ha wa j a 1 ,   Arsha d K a rim bu   Va lla pp i l 1 ,   Sa m ee Q a zi 2 M uh a m m a d M us t a qim 3   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g ,   I sl a mi c   U n i v e r si t y   o f   M a d i n a h ,   M a d i n a h ,   S a u d i   A r a b i a   2 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g ,   S c i e n c e   a n d   Te c h n o l o g y ,   I Q R A   U n i v e r si t y ,   K a r a c h i ,   P a k i st a n   3 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c   a n d   P o w e r   En g i n e e r i n g   ( EPE) ,   P N - E n g i n e e r i n g   C o l l e g e   ( P N EC ) ,   N a t i o n a l   U n i v e r si t y   o f   S c i e n c e s a n d   Te c h n o l o g y   ( N U S T) ,   K a r a c h i ,   P a k i s t a n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l   10 2 0 2 5   R ev is ed   Dec   10 2 0 2 5   Acc ep ted   J an   30 2 0 2 6       Th is  p a p e p re se n ts  th e   d e v e l o p m e n o a   lo n g   ra n g e   (L o Ra b a se d   c o m m u n ica ti o n   s y ste m   m e a n fo o ff - g ri d   e n v ir o n m e n ts.  It  a ims   to   se n d   d a ta  o v e lo n g   d istan c e with   m in i m a p o we c o n su m p t io n .   Us in g   Ard u in o   b o a rd s,   Lo Ra   tra n sc e iv e m o d u l e s,  a n d   Bl u e to o th   m o d u les ,   a n   a n a ly sis  o f   Lo Ra   d e v ice wa c a rried   o u t ,   f o c u sin g   o n   th e ir  p e rfo rm a n c e   in   term o f   sig n a stre n g th   a n d   ra n g e .   Lo Ra   t e c h n o l o g y   is  re c o g n ize d   fo i ts  l o w - p o we r   c o n su m p ti o n   a n d   e x ten d e d   ra n g e   c a p a b il it ies .   T h e   e x p e rime n ts  we re   c o n d u c ted   a th e   Isla m ic  Un iv e rsity   o M a d in a h   (IUM ),   M a d i n a h ,   S a u d Ara b ia.  Th e   re a d in g o t h e   re c e iv e d   sig n a stre n g t h   in d ica to ( RS S I)  a n d   sig n a l - to - n o ise   ra ti o   (S NR)   a re   c o ll e c ted   a t   v a rio u d istan c e s.  Th e   st u d y   in v o lv e d   tes ti n g   wit h   a   2 . 1 5   d Bi   a n ten n a ,   a n d   th e   re su l ts  in d ica ted   th a t   th e   d e v ice   a c h iev e d   a   m a x imu m   ra n g e   o 2 4 0   m   with   RS S =   1 2 8   d Bm   a n d   S NR  =   2 0   d B.   T h is  wo r k   e x p lo re d   L o Ra   m o d u lati o n   u si n g   so ftwa re - d e fin e d   ra d io   (S DR)   a n d   d e m o n stra ted   th e   fe a sib i li ty   o f   L o Ra   t e c h n o l o g y   fo o ff - g rid   c o m m u n ica ti o n .   T h e   sy ste m   o ffe rs  lo n g - ra n g e   tex m e ss a g in g   c a p a b il it ies   wit h   u se r - frien d l y   fe a tu re s,  se rv i n g   a a   v a lu a b le   so l u ti o n   wh e re   trad it io n a n e tw o rk   in fra stru c t u re   is u n a v a il a b le.   K ey w o r d s :   C h ir p   s p r ea d   s p ec tr u m   Dis aster   co m m u n icatio n   L o n g   r an g   R an g test   So f twar d ef in ed   r ad io   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   B ilal A .   Kh awa ja   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Facu lty   o f   E n g in ee r in g   I s lam ic  Un iv er s ity   o f   Ma d in a h   Ma d in ah   4 2 3 5 1 ,   Sau d i A r a b ia    E m ail: k jb m o h a m m ed @ iu . ed u . s a       1.   I NT RO D UCT I O N   C o m m u n icatio n   in f r astru ct u r e   is   cr itical   life lin d u r in g   n a tu r al  d is aster s ,   y et  it  is   o f ten   o n o f   th e   f ir s ca s u alties.  Fo r   in s tan ce ,   th 2 0 1 1   E aster n   J ap an   ea r th q u ak r esu lted   in   t h d estru ctio n   o f   a p p r o x im ately   2 9 , 0 0 0   m o b ile  b ase  s tatio n s ,   s ev er ed   f ib er   o p tic  an d   s u b m ar in ca b les,  an d   th s h u td o w n   o f   1 2 0   telev is io n   s tatio n s   an d   two   r ad io   s tatio n s   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   T h ese  ev en ts   u n d er s c o r th s en s ib ilit y   o f   ce n tr alize d   co m m u n icatio n   s y s tem s   in   th f ac e   o f   lar g e - s ca le  d is aster s .   W h en   s u ch   s y s tem s   f ail,   af f ec ted   p o p u latio n s   ar lef is o lated ,   h in d er in g   r escu an d   r ec o v er y   ef f o r ts .   T o   ad d r ess   th is   s en s ib ilit y ,   r e s ea r ch er s   ar e   in cr ea s in g ly   ex p lo r in g   o f f - g r id   co m m u n icatio n   s o lu tio n s   th at  f u n ctio n   i n d ep e n d en tly   o f   co n v en tio n al   in f r astru c tu r e.   T h ese  s y s tem s   aim   t o   en s u r e   r eliab le   co m m u n icatio n   wh en   p o wer   g r id s   an d   n etwo r k s   f ail.   L o n g   r an g ( L o R a)   tech n o lo g y   [ 2 ] - [ 4 ]   em er g es  as  p r o m is in g   s o lu tio n   in   th ese  cir cu m s tan ce s ,   k n o wn   f o r   its   ab ilit y   to   tr an s m it  d ata  o v er   lo n g   d is tan ce s   with   m in im al  p o wer   co n s u m p tio n .   Dep en d in g   o n   ea ch   r eg io n s   r eg u latio n s ,   L o R o p er a tes  in   u n licen s ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   2 Ap r il  20 26 3 7 1 - 3 8 6   372   in d u s tr ial,   s cien tific ,   an d   m e d ical   ( I SM)   f r eq u e n cy   b an d s .   i.e . ,   8 6 8   MH in   E u r o p e,   9 1 5   MH z   in   No r th   Am er ica,   an d   4 3 3   MH in   Asi [ 5 ] .   B ased   o n   th N atio n al  F r eq u en cy   P lan   o f   Sau d Ar ab ia,   th 4 3 3 . 0 5 4 3 4 . 7 9   MH b a n d   is   d esig n ate d   f o r   I SM  ap p licatio n s   [ 6 ]     L o R as a   s o lu tio n   f o r   d is aster   co m m u n icatio n   L o R a   h as  g ain ed   s ig n if ican atten tio n   in   wir eless   co m m u n icatio n ,   p ar ticu lar ly   f o r   its   ap p licatio n   in   in ter n et  o f   th in g s   ( I o T )   n etwo r k s .   I ts   lo w - p o wer ,   lo n g - r a n g ca p ab ilit ies  m ak it  an   attr ac tiv o p tio n   f o r   o f f - g r id   co m m u n icatio n   in   d is aster - s tr ick en   ar ea s .   Au g u s tin   et  a l.   [ 7 ]   co n d u cte d   f o u n d atio n a s tu d y   o n   L o R a p er f o r m an ce ,   d em o n s tr atin g   t h at  it  ca n   r eliab ly   d ec o d e   s ig n als  at  p o wer   lev els  as  lo a s   −1 2 5   d B m   u s in g   ch ir p   s p r ea d   s p ec tr u m   ( C SS )   m o d u latio n .   T h eir   ex p e r im e n ts   in   s u b u r b a n   Par is   r ev ea l ed   th at  L o R ca n   ac h iev co m m u n icatio n   d is tan ce s   o f   u p   to   3 . 4   k m ,   d ep en d in g   o n   th s p r ea d in g   f ac to r   ( SF ) .   I n   ad d itio n   to   its   r an g e   ca p a b ilit ies,  L o R a s   ad ap tab ilit y   in   d iv er s en v i r o n m e n ts   h as  b ee n   ex p l o r e d   b y   W ix ted   et  a l.   [ 8 ] ,   wh o   test ed   lo n g   r an g wid ar ea   n etwo r k   ( L o R aWAN )   in   u r b an   s ettin g s ,   an d   B au m g ar tn er   et   a l.   [ 9 ] ,   wh o   e v alu ated   it  f o r   en v ir o n m en tal   m o n ito r in g   ap p licatio n s .   B o th   s tu d ies  co n f ir m ed   th at  L o R r em ain s   r eliab le  o v er   d is tan ce s   r an g i n g   f r o m   2 . 2   k m   i n   d en s u r b a n   ar ea s   t o   6 . 5   k m   in   r u r al  en v ir o n m en ts .   T h is   ad ap tab ili ty   p o s itio n s   L o R as  v er s ati le  tech n o lo g y   f o r   d is aster   co m m u n icatio n ,   g iv en   th d iv er s ter r ain   an d   c o n d iti o n s   th at  m u s t b tak e n   in to   ac co u n t.   B ey o n d   b asic  L o R d ep lo y m en ts ,   s ev er al  ap p r o ac h es  h av ex p lo r e d   en h an ce d   ar ch i tectu r es  f o r   d is aster   s ce n ar io s .   Sy ed   et  a l.   [ 1 0 ]   d em o n s tr ated   m esh   n etwo r k in g   ca p ab ilit ies  u s in g   Me s h tast ic - b ased   s y s tem s   in teg r ated   with   am p h ib io u s   r o v er s ,   ac h iev in g   r eliab le  co m m u n icatio n   in   f lo o d - af f ec ted   ar ea s .   Vith ay ath il  et  a l.   [ 1 1 ]   p r o p o s ed   a   h y b r id   wir eless   f id elity   ( Wi - Fi ) /Lo R in f r astru ctu r e   with   ca p tiv e   p o r tal   f u n ctio n ality ,   e n ab lin g   b o th   lo ca d ev ice  co n n ec ti v ity   an d   lo n g - r an g d ata  tr a n s m is s io n .   Fo r   h ig h l y   d is r u p te d   en v ir o n m en ts ,   Sch m id et  a l.   [ 1 2 ]   d ev el o p ed   d elay - to ler an n etwo r k in g   ( DT N)   s y s tem   o v er   L o R a,   d em o n s tr atin g   th at  s to r e - an d - f o r war d   m ec h an is m s   ca n   m ai n tain   co m m u n icatio n   ev e n   w h en   d ir ec lin k s   ar e   u n av ailab le.   Per f o r m a n ce   co n s id er atio n s   ar cr itical  in   d is aster   d ep lo y m e n ts L o p es  et  a l.   [ 1 3 ]   id en tifie d   k e y   n etwo r k   p a r am eter s ,   in clu d i n g   co llis io n   h an d lin g ,   n o d d en s ity ,   an d   tr an s m is s io n   in ter v al s ,   th at  s ig n if ican tly   im p ac r eliab ilit y   u n d er   s tr ess   co n d itio n s ,   with   d ata  ex tr ac tio n   r ates   ( DE R )   d r o p p in g   b el o 9 5 wh en   ce r tai n   th r esh o ld s   ar ex ce e d ed .     Alter n ativ lo w - p o wer   wid e   a r ea   n etwo r k   ( L PW AN )   tech n o lo g ies f o r   d is aster   co m m u n ica tio n   C o m p lem en tar y   to   L o R a - b a s ed   ap p r o ac h es,  o th er   L PW AN  s o lu tio n s   h av b ee n   ex p lo r ed   f o r   em er g en cy   co m m u n icatio n .   N ar r o wb an d   in te r n et  o f   t h in g s   ( NB - I o T )   ac h ie v es  s tab le   s ig n al  s tr en g th   ( R SS I - 5 5 . 6   to   - 7 4 . 6   d B m )   u p   to   4 5 8 m   with   ze r o   p ac k et  lo s s   [ 1 4 ] ,   b u cr itically   d ep e n d s   o n   f u n c tio n al  ce llu lar   b ase  s tatio n   in f r astru ctu r e ,   wh ich   is   f r eq u en tly   co m p r o m is ed   d u r in g   d is aster s .   Z ig B ee   o f f er s   lo w - p o wer   m esh   n etwo r k in g   ( 2   m W   tr an s m is s io n )   b u is   s ev er ely   r an g e - lim ited ,   m ain tain in g   co n n ec tiv ity   o n ly   u p   to   4 0   m   o n   th s am f lo o r ,   with   co m p le te  f ailu r b ey o n d   two   f lo o r s   [ 1 4 ] ,   m a k in g   it  u n s u itab le  f o r   d is aster   zo n es  s p an n in g   h u n d r e d s   o f   m ete r s .   W ir eles s   s m ar u b iq u ito u s   n etwo r k   ( W i - SUN)   p r o v id es  r o b u s m esh   ca p ab ilit ies  with   2 9 8   m   o u t d o o r   r an g [ 1 5 ] ,   b u r eq u ir es  co m p lex   m u lti - n o d d e p l o y m en an d   m esh   co o r d in atio n   in f r astru ct u r e.   I n   co n tr ast,  L o R co m b in es  lo n g - r an g e,   lo p o wer   co n s u m p t io n ,   an d   co m p lete   in f r astru ctu r in d ep en d en ce ,   c h ar ac ter is tics   ess en tial f o r   o f f - g r id   d is aster   co m m u n icatio n .     E m er g en c y   co m m u n icatio n   c h allen g es   Po s t - d is aster   co m m u n icatio n   p o s es  u n iq u ch allen g es  d u to   th p o ten tial  f o r   d am ag ed   in f r astru ctu r e   an d   u n r eliab le  p o wer   s o u r ce s .   Dee p ak   et  a l.   [ 1 6 ]   i d en tifie d   t h r ee   p r im ar y   n etwo r k   s ce n ar io s   i n   p o s t - d is aster   s ettin g s co n g ested   n etwo r k s ,   p ar tial  n etwo r k s ,   an d   is o lated   n etwo r k s .   I n   is o lated   n etwo r k s ,   wh er tr ad itio n al  co m m u n icat io n   in f r astru ctu r is   u n av ailab le,   m o b ile  ad - h o n etwo r k s   ( MA NE T s )   o r   d r o n e - ass is ted   co m m u n icatio n   s y s tem s   ca n   b d ep lo y e d   to   estab lis h   tem p o r ar y   wir eless   co v er a g e.   T h e   r ed u n d an c y   an d   f au lt to le r an ce   o f f er e d   b y   MA NE T s   m ak th em   p ar ticu l ar ly   s u itab le  f o r   th ese  s itu atio n s .   F u r t h e r i n g   t h i s   i d e a ,   L ie s e r   e a l .   [ 1 7 ]   p r o p o s e d   a   d e l a y - t o l e r a n t   c o m m u n i c a t i o n   n e t w o r k   b a s e d   o n   M A N E T   a r c h i te c t u r e ,   w h i c h   e n a b l e s   r e s i l i e n t   c o m m u n i c a t io n   w i t h o u t   r e l y i n g   o n   f i x e d   i n f r a s t r u c t u r e .   T h is   a p p r o a c h   i s   p a r t i c u l a r l y   r e le v an t   i n   d i s a s t e r   s c e n a r i o s ,   w h e r e   f l e x i b l e ,   c i v il i a n - c e n t e r e d   c o m m u n i c a t i o n   s y s t e m s   a r e   p a r a m o u n t .   M o b i l e   a p p l i c at i o n s   t h a t   i n t e g r a t e   t h e   p u b l ic   in t o   e m e r g e n c y   c o m m u n i c a t i o n   i n f r a s t r u c t u r e   h a v a l s o   b e c o m e   i n c r e as i n g l y   c o m m o n ,   a s   h i g h l i g h t e d   b y   T a n   e t   a l .   [ 1 8 ] ,   w h o   n o t e d   t h a t   t h e s e   ap p s   a r e   i n c r e a s i n g l y   f o c u s e d   o n   f a c i l it a t i n g   o n - s it e   co l l a b o r a t i o n   b e t we e n   c i v i li a n s   a n d   e m e r g e n c y   r e s p o n d e r s .     C o n tr ib u tio n s   T h p r im ar y   co n tr ib u tio n   o f   t h is   s tu d y   is   th d esig n   an d   ev alu atio n   o f   b i - d ir ec tio n al  L o R a - b ased   tex tin g   co m m u n icatio n   s y s tem   o p tim ized   f o r   o f f - g r id   d is aster   s ce n ar io s .   Desp ite  lev er ag in g   an   ac ce s s ib le  tech n o lo g y   lik L o R a,   well - k n o wn   co m m u n icatio n   p r o to c o in   I o T   ap p licatio n s ,   th p r e s en ted   walk th r o u g h   an aly s is ,   alo n g   with   th e   p r a ctica im p lem en tatio n ,   en r ic h ed   th e   d is cu s s io n   o n   u s in g   L o R f o r   wir eless   m ess ag in g   wh ile  s u p p o r tin g   c o llap s ed   in f r astru ct u r e.   T h p r o p o s ed   p r o t o ty p e   was  ev alu a ted   th r o u g h   r an g test   ex p er im en ts   an d   s o f twar e - d ef in ed   r ad i o   ( SDR )   an al y s is .   I n   ad d itio n ,   i n clu d in g   th e   SDR   in   th a n aly s is   ad d s   an o t h er   d im en s io n   to   u n d er s tan d i n g   t h s y s tem s   f u n ctio n ality   f r o m   th e   p er s p ec tiv o f   wir eless   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           N ex t g en era tio n   Lo R a - b a s ed   r esil ien t c o mmu n ica tio n   s yste fo r   d is a s ter mit ig a tio n   a n d   …  ( Al - B a r a a   E b a d )   373   co m m u n icatio n   p r in cip les,  wh ich   lin k s   th eo r etica co n ce p ts   with   r ea lity .   T h e   d ev ice   is   co m p atib le  with   m o s t   W in d o ws  an d   An d r o id   o p er ati n g   s y s tem s   an d   s u p p o r ts   co m m u n icatio n   am o n g   m u ltip le  u s er s   with in   th s am e   L o R n etwo r k   th r o u g h   c u s to m   ad d r ess in g   s ch em e.   A   k ey   a d v an tag e   o f   th is   d esig n   is   th at  ev en   if   o n e   d e v ice  is   n o co n n ec ted   to   m o b ile  p h o n e,   th u s er   ca n   s till   tr ig g er   b u zz er   to   n o tify   th e   r ec ip ie n t,  en s u r i n g   c r itical  co m m u n icatio n   is   m ain tain e d   d u r in g   em er g en cies.  Star tin g   with   L o R as  th c o m m u n icatio n   p r o to co l,   th ese   f ea tu r es  wer in c o r p o r ated   t o   p r o v id e   co m p r eh e n s iv s o lu tio n   th at  a d d r ess es  d is aster   s itu atio n s   an d   co n n ec tiv ity   is s u es,  th er eb y   s u p p o r tin g   r escu an d   r elief   o p er atio n s .       2.   M E T H O DO L O G Y   Ou r   m eth o d o lo g y   co m p r is es  th f o llo win g   k ey   s tep s s y s te m   d esig n ,   r an g test   ex p er im e n with   d ata  co llectio n ,   SDR   an aly s is ,   an d   d is cu s s io n   o f   th r esu lts ,   i n clu d in g   th d eter m in atio n   o f   th r ec eiv e d   s ig n al   s tr en g th   in d icato r   ( R SS I )   eq u atio n .   T h g o al  o f   th is   wo r k   i s   to   b u ild   d ev ice  u tili zin g   L o R tech n o lo g y   to   f ac ilit ate  b i - d ir ec tio n al   tex t   m ess ag in g   o v e r   l o n g   d is tan ce s .   Sin ce   th e   ap p licatio n   o f   th s y s tem   is   to   b u ild   co m m u n icatio n   d ev ices f o r   e m er g en cy   ca s es,  th p r o p o s ed   d esig n   s h o u ld   h av th f o llo wi n g   s p ec if icatio n s :     T h d ev ice  o p er ates w ith   m i n im u m   am o u n o f   p o wer     T h d ev ice  is   u s er - f r ien d ly   in   ter m s   o f   p r o to ty p i n g   an d   u s ag e     T h d ev ice  is   co m p atib le  with   m o s t o p er atin g   s y s tem s ,   in clu d in g   W in d o ws an d   An d r o id   T h ev alu atio n   o f   th co m m u n icatio n   s y s tem   was  m ad p o s s ib le  th r o u g h   r an g e - test   ex p er im en ts   co n s id er in g   th e   en v ir o n m e n tal  f ac to r s .   R SS I   an d   s ig n al - to - n o is r atio   ( SNR )   m ea s u r em en ts   wer p er f o r m e d ,   an d   th d ata  wer co llected   an d   v is u alize d   f o r   b etter   u n d er s tan d in g .   W o b s er v ed   th e   tr an s m itted   L o R a   s ig n als o v er   th f r eq u e n cy   s p e ctr u m   u s in g   SDR .   T h is   g iv es  m o r in s ig h t in t o   th s ig n al s   b eh av io r .   d is cu s s io n   o f   th e   r esu lts   is   as  f o llo ws.  T h lo g - d is tan ce   p ath - lo s s   ( L DPL)   m o d el  is   p r o p ag atio n   m o d el  s u itab le  f o r   in d o o r   an d   o u td o o r   en v i r o n m e n ts ,   wh ich   co n s id er s   th e   p ath - lo s s   v alu e   th at  o cc u r s   f o r   t h e   d is tan ce   b etwe en   th tr an s m itt er   ( T x )   an d   r ec eiv er   ( R x )   [ 1 9 ] .      ( ) =  ( 0 )   +   10      (   d )     ( 1 )     W h er  ( )   is   th p ath - lo s s   at  d is tan ce     ( m eter s )   in   th o u td o o r s ,   wh e r ea s    ( 0 )   is   th e   r ef er en ce   p ath - lo s s   at  d is tan ce   0   with   f r ee   s p ac co n d itio n s   o b tain ed   f r o m   m ea s u r em en ts   cl o s to   th T x .   I t   is   o f ten   co n s id er ed   to   b 1   m e ter   in   v ar io u s   s tu d ies  [ 2 0 ] [ 2 1 ] .   Mo r eo v er ,     is   th d is tan ce   b etwe en   T x   an d   R x   in   m eter s ,   an d     is   th p ath - lo s s   ex p o n en t ( PLE )   a d ju s ted   to   th test   en v ir o n m e n t,  as su m m ar ized   in   T ab le  1 .       T ab le  1 .   PLE   f o r   d i f f er en t e n v ir o n m en ts   [ 2 2 ]   En v i r o n m e n t   P LE,   ( )   F r e e   s p a c e   2   U r b a n   a r e a   c e l l u l a r   r a d i o   2 . 7 3 . 5   S h a d o w e d   u r b a n   c e l l u l a r   r a d i o   3 5   In - b u i l d i n g   l i n e   o f   si g h t   (L o S)   1 . 6 5   O b st r u c t e d   i n   b u i l d i n g   1 . 6 1 . 8   O b st r u c t i o n   i n   f a c t o r i e s   4 6   I n d o o r   o f f i c e   2 3       So ,   th R SS I   ca lcu latio n   is   as f o llo ws  [ 2 2 ] :      = +    +   10      (   d )   +        ( 2 )     W h er R SS I   an d   ,   wh ich   r ef e r   to   th T x   t r an s m itted   p o wer ,   ar b o th   c o n s id er ed   in   d B m ,   r esp ec tiv ely .     2 . 1 .   P r o po s ed  d esig n   I n   th is   s ec tio n ,   th d esig n   o f   th p r o p o s ed   s y s tem   is   d is cu s s ed .   T h L o R a - b ased   co m m u n icatio n   s y s tem   is   m ad o f   two   d ev ices.  T h ese  d ev ices  es tab lis h   an   o f f - g r id   L o R a - b ased   n etwo r k .   On ce   th s m ar tp h o n is   co n n ec ted   t o   o n o f   t h d ev ices,  th e   u s er   ca n   u s th m o b ile  p h o n f o r   te x m ess ag in g   v ia  th e   L o R n etwo r k .   T h is   ap p r o ac h   to   o f f - g r id   co m m u n icatio n   d em o n s tr ates  th p r ac tical  ap p licatio n   o f   L o R a   tech n o lo g y   in   o v er co m in g   th e   lim itatio n s   o f   tr ad itio n al  GSM  n etwo r k s .   I n   o u r   d esig n ,   we  u s ed   an   Ar d u in o   Nan o   b o ar d   with   AT m eg a3 2 8 m icr o co n tr o lle r ,   L o R a   T r an s ce iv er   ( R a - 0 1 )   m o d u le  with   Sem tech s   ( SX1 2 7 8 )   i n teg r ated   c ir cu it   ( IC ) ,   B lu eto o th   m o d u le  ( HC 0 5 ) ,   a   5   V   b u z z e r ,   a   s w i t c h ,   a n d   a   s in g l e   9   V   A A A   a l k a li n e   b a t t e r y .   T h e   s y s t e m   b l o c k   d i a g r a m   is   s h o w n   i n   Fi g u r e   1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   2 Ap r il  20 26 3 7 1 - 3 8 6   374   Af ter   in s tallin g   th Ser ial  B lu eto o th   T e r m in al  ap p ,   th u s er   ca n   co n n ec to   th e   d ev ice  v ia  B lu eto o th   u s in g   th eir   m o b ile  p h o n e.   E ac h   d e v ice  h as  p r ed e f in ed   ad d r ess ,   s u ch   as  0 x B B   an d   0 x FF .   T h e r ef o r e,   it  is   f ea s ib le   f o r   m u ltip le  u s er s   to   co m m u n icate   with in   th s am L o R n etwo r k .   T h m ess ag es  ar th en   s en v ia  L o R a   tr an s ce iv er   to   th e   r ec ip ien d e v ice,   wh er th e   r ec ip ien c an   r ea d   th em   i n   th a p p ,   as  s h o wn   in   Fig u r e   2 .   T h u s er   ca n   s en d   ca ll   s ig n al  t h at  tr ig g er s   t h b u zz er .   E v en   if   o n o f   th e   d ev ices  was  n o co n n ec ted   to   an y   m o b ile  p h o n e,   th u s er   ca n   s ti ll  ac tiv ate  th b u zz er   to   n o tify   th r ec ip ien t.  I n   th p r esen ted   wo r k ,   f o r   an aly s is   p u r p o s es,  th “L o R a. h ”  lib r ar y   was  u s ed   in   th co d e,   wh ic h   p r o v id es  p h y s ical - lay er   c o n tr o f o r   L o R r ad io   ch ip s   ( SX1 2 7 x ) ,   s u ch   as sen d i n g /r ec eiv in g   r aw  p ac k ets an d   s ettin g   f r eq u en c y ,   b a n d wid th ,   an d   SF .   T h lib r ar y   s u p p o r ts   C o d in g   R ate,   wh ich   is   ad d itio n al  d ata  ad d ed   to   t h p ac k et  to   allo f o r   e r r o r   co r r ec tio n .   W h ile  th “L o R a. h ”  lib r ar y   d o es  n o h a v b u ilt - in   r etr a n s m is s io n   o r   r o u tin g   m ec h an is m s ,   it  ca n   s til b h ar d - c o d ed   f o r   b etter   s ca lab ilit y .           Fig u r 1 .   B lo ck   d iag r am   o f   th p r o p o s ed   s y s tem   d esig n             Fig u r 2 .   B lu eto o t h   t er m in al   a p p   s h o win g   th r ec eiv e d   m ess ag es       Fig u r 3   s h o ws th d ev ice  lay o u t o f   th p r o p o s ed   d esig n .   4 3 3   MH n ick el - p lated   s p r in g   an ten n is   u s ed   f o r   s ig n al  tr an s m is s io n .   T h an ten n is   3 6   m m   in   le n g th ,   with   g ain   o f   2 . 1 5   d B [ 2 3 ] .   Ad d itio n ally ,   co m p u ter - aid ed   d esig n   ( C AD )   s o f twar is   u s ed   to   d esig n   th d ev ice s   en clo s u r e.   B ased   o n   th p o wer   d em a n d   as  d is cu s s ed   in   T a b le  2 ,   we   c h o o s a   9   alk alin e   b atter y   t o   p o wer   th e   cir c u it.  I t   is   an   id ea ch o ice   s in ce   it   s u p p lies   u p   to   8 0 0   m A.   T h is   a lk alin b atter y   h as   h ig h   en e r g y   d e n s ity   an d   v o ltag e   s tab ilit y .   T h e   L o R d ev ices   in   th is   s tu d y   u tili ze   B lu eto o th   lo w - en er g y   m o d u les,  allo win g   o n ly   o n s m ar t p h o n to   p air   with   ea ch   L o R a   d ev ice  at  tim e.   Ho wev er ,   th p h y s ical  lay er   o f   L o R o p er ates  in d ep en d en tly   o f   B lu eto o th ,   wh ich   lev er ag es  lo n g - r a n g co m m u n icatio n .   I en ab les  m u ltip le  L o R d ev ices  to   co ex is in   th s am n etwo r k   b y   im p lem en tin g   cu s to m   ad d r ess in g   s ch em at  th ap p lic atio n   lay er .   E ac h   d ev ice  is   ass ig n ed   u n iq u e   id en tifie r   ( I D)   t o   m an a g d ata  r o u tin g   a n d   a v o id   p ac k et  co lli s io n s   [ 1 8 ] - [ 23] .                                                                                                                                                      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           N ex t g en era tio n   Lo R a - b a s ed   r esil ien t c o mmu n ica tio n   s yste fo r   d is a s ter mit ig a tio n   a n d   …  ( Al - B a r a a   E b a d )   375       F ig u r e   3 .   Dev ice  la y o u t sh o win g   th f r o n t a n d   s id v iews  (o n   th l ef t ) ; a ls o   h ig h lig h tin g   th a n ten n a,   L o R m o d u le,   B lu eto o t h   m o d u le,   Ar d u in o   Nan o ,   an d   b atter y   in   th e   Z o o m ed - in   v e r s io n   (o n   th r ig h t )       T ab le  2 .   Po wer   r eq u ir e m en ts   f o r   th p r o p o s ed   s y s tem   I t e m n a m e   V o l t a g e   ( V )   S t a n d - b y   c u r r e n t   ( mA )   A c t i v e   c u r r e n t   ( mA )   H C 0 5   B l u e t o o t h   mo d u l e   [ 2 4 ]   3 . 3   8   25   Lo R a   m o d u l e   [ 2 5 ]   3 . 3   1 . 6   Tx   =   9 3 ,   R x   =   1 2 . 1 5   A r d u i n o   N a n o   [ 2 6 ]   5   19   2 0 0   B u z z e r   5   0   25   To t a l     2 8 . 6   3 5 5 . 1 5       W ith in   th co n tex o f   em er g en cy   co m m u n icatio n ,   h y p o th etica s ce n ar io s   wer co n s id e r ed ,   alo n g   with   ac tiv tim ass u m p tio n s ,   to   p r o v id co m p r eh e n s iv e   p ictu r o f   t h s itu atio n .   Firstl y ,   th o n - d em an d   s ce n ar io   is   t y p ical  ty p wh er th e   u s er   ac tiv ates  th e   d e v ice  in   r esp o n s t o   ac tiv e   co o r d in atio n   o r   SOS   s ig n als.  T h is   ca s a s s u m es  th at  th er ar f o u r   s ess io n s ,   ea ch   last in g   3 0   m in u tes,  with   1 2   m ess ag es/ s ess io n .   I n   th co d e,   th d u r atio n   o f   th to n f o r   th b u zz er   f ea tu r w as  s et  f o r   1   s ec o n d .   On   th o th er   h an d ,   laten c y   in cr ea s es  with   lo n g er   d is tan ce s   an d   u n d er   s p ec if ic  c o n d iti o n s ,   s u ch   as  o b s tr u ctio n s .   T h er ef o r e,   t h ac tiv e   co m m u n icatio n   tim e   is   ap p r o x im ately   1 2 - 2 0   s ec o n d s ,   d ep en d in g   o n   t h s ce n ar i o   a n d   th e   s u r r o u n d in g   en v ir o n m en t.  Fo r   ex am p le,   th f ir s s ce n ar io   wo u ld   h av to tal  o f   1 3   s ec o n d s ,   co n s is tin g   o f   1 2   s ec o n d s   f o r   tr an s m is s io n   an d   1   s ec o n d   f o r   th b u zz er .   T h ac tiv tim is   o b tain ed   b y   m u ltip ly i n g   th n u m b er   o f   m ess ag es   b y   th to tal  ac tiv tim e.   Seco n d ly ,   th d ev ice  ca n   b d ep lo y e d   to   co n tin u o u s ly   lis ten   f o r   in co m in g   em er g e n cy   m ess ag es,  allo win g   it  to   r em ain   id le  an d   in   s tan d b y   m o d e.   T h th ir d   s ce n ar io   in v o lv e s   co o r d in atio n   an d   p er io d ic  u p d ates,  wh er t h m ess ag f r eq u en c y   is   s ix   m ess ag es/h o u r .   Ho wev er ,   t h wo r s t - ca s s ce n ar io   o cc u r s   in   h ig h - ac tiv ity   m o d e.   I n   s ea r ch - an d - r escu e   m is s io n s ,   in ten s iv co o r d in atio n   am o n g   m u ltip le  r escu e   team s   is   cr itica l,  with   an   av er ag o f   1 2   m ess ag es/h o u r .   B atter y   life   is   s ig n if ican f ac to r   in   d esig n in g   em er g en cy   co m m u n icatio n   s y s tem s .   W h ile  th 9   b atter y   is   r ep lace ab le  an d   ac ce s s ib le,   ch an g in g   it  ca n   b ch allen g in g   at  tim es,  esp ec i ally   d u r i n g   s tr ess f u m o m en ts .   T h u s ,   a   lo n g   b atter y   lif is   ad v is ab le  a n d   r ec o m m en d ed .   T o   ass ess   th e n er g y   c o n s u m p tio n   o f   t h d ev elo p ed   L o R d ev ice,   ca lcu latin g   th d u ty   cy cle  is   th f ir s s tep .   T h d u ty   cy cle   is   d r iv e n   b y   u s er   b e h av io r   a n d   h o lo n g   th d ev ice  is   ac tiv e.   B y   f o l l o w i n g   h o u r l y   a c t i v e   t i m e   c a lc u l a t i o n s ,   t h e   c y c l e   a p p e a r s   t o   b 3 6 0 0   s e c o n d s .   H o u r l y   b a s is   m et r i cs   a r e   m o r e   r e l e v a n t   t o   e m e r g e n c y   a p p l i c a ti o n s .   A s   t h e   i n t e n s i t y   o f   t h e   a ct i v i t y   i n c r ea s es ,   t h e   a c t i v t i m d u r a t i o n   b e c o m e s   0   s e c o n d s ,   1 6   s e c o n d s ,   7 8   s ec o n d s ,   a n d   2 5 2   S e c o n d s ,   r es p e c t i v el y .   O n ce   t h e   a c ti v e   t i m e   o f   t h e   d e v i c i n   e a c h   s c e n a r i o   is   k n o w n ,   t h e   d u t y   c y c l e   a n d   t h e   a v e r a g e   d r a w   c u r r e n t   c a n   b e   c a l c u l a t e d   b y   u s i n g   ( 3 )   a n d   ( 4 ) .   S i n c e   t h e   c a p a c i t y   o f   t h e   r e c o m m e n d e d   9   a l k a l i n e   b a t t e r y   i s   5 8 0   m A h ,   t h e   b at t e r y   l i f e t i m e   e q u a t i o n   c a n   b e   s o l v ed ,   a s   i n   ( 5 )   [ 2 7 ] .           ( % ) =   × 100% ,  = 3600      ( 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   2 Ap r il  20 26 3 7 1 - 3 8 6   376           (  ) = (    ×      ) + (     ×     )  ,  = 3600      ( 4 )            (  )   =        (  )  (  )   ( 5 )     T h r esu lts   s h o th at  in   th l ast  f o u r   s ce n ar i o s ,   b atter y   life   is   less   th an   d ay ,   as  s h o wn   in   T ab le  3 .   Switch in g   th d ev ice  o f f   an d   u s in g   it  o n ly   wh en   n ec ess ar y   will  s av s ig n if ican am o u n t   o f   en er g y .   T h 2 8 . 6   m s tan d b y   cu r r e n r em ain s   th d o m in an en e r g y   co n s u m er ,   an d   s u ch   ef f icien cy   m e asu r es  will  ex ten d   b atter y   life   to   8   d ay s ,   as  in   th f ir s s ce n ar io .   Ad d itio n ally ,   th m ed iu m   ac tiv ity   m o d s u s tain s   1 6 . 2   h o u r s   o f   o p er atio n   with   p er i o d ic  em er g en cy   m ess ag in g ,   r e p r esen tin g   o n ly   2 0 r ed u ctio n   f r o m   id le  m o d e.   E v en   in   h ig h - ac tiv ity   m o d e,   th s y s te m   s p en d s   9 3 o f   its   tim in   s tan d - b y ,   m a k in g   s tan d - b y   t h cu r r e n p r im ar y   d eter m in an t   o f   b atter y   life .   O n ly   a   3 7 %   r ed u ctio n   f r o m   id l to   h ig h   ac tiv ity   m o d e,   wh i ch   is   s u f f icien t   f o r   m o s em er g e n cy   r esp o n s es.  I n   a   n u ts h ell,   lo o k i n g   f o r   o th e r   alk alin e   b atter y   o p tio n s   wit h   h ig h er   ca p ac ity   is   ex p ec ted   to   ex ten d   th life ti m o f   th e   b atter y .   Nev er th ele s s ,   th p r im ar y   p u r p o s is   n o to   r u n   th d ev ice   co n tin u o u s ly ,   as th ch em is tr y   o f   th alk alin e   9   b atter y   is   o p tim ized   f o r   lo n g - ter m   a p p li ca tio n s .       T ab le  3 .   E n er g y   co n s u m p tio n   an aly s is   u n d er   v a r io u s   s ce n ar i o s   S c e n a r i o s   D u t y   c y c l e / h o u r   ( %)   A v e r a g e   c u r r e n t   d r a w   ( mA )   B a t t e r y   l i f e   On - d e ma n d   8 . 3 3   2 . 9 8   8 . 1   D a y s   I d l e   0   2 8 . 6   2 0 . 3   H r   M e d i u m   2 . 1 7   3 5 . 7   1 6 . 2   H r   H e a v y   7   4 5 . 6   1 2 . 7   H r       T h ef f icien cy   o f   th p r o p o s ed   L o R a - b ased   co m m u n icatio n   s y s tem   an d   th m ax im u m   tr an s m is s io n   d is tan ce   ar d eter m i n ed   b y   t h SF   an d   th b an d wid t h   ( B W ) ,   d en o ted   b y   t h R SS I   an d   SNR   p ar am eter s .   Mo r eo v er ,   b etter   s tab le  co m m u n icatio n   is   d eter m in e d   b y   h ig h er   v alu o f   SNR .   E n v ir o n m en tal  f ac to r s   ca n   af f ec L o R co m m u n icatio n .   Fo r   in s tan ce ,   co ld   wea th er   i m p r o v es  th SNR ,   wh ile  war m   wea th er   s u g g ests   s elec tin g   lo wer   SF s   to   m in im ize  laten cy   [ 2 8 ] .     2 . 2   Net w o rk   a rc hite ct ure  a nd   m ea s urem ent   s et t ing s   T h lo n g - r an g co m m u n icati o n   with   lo w - p o wer   c o n s u m p t io n   b etwe en   t h two   d e v ices   is   th k ey   co n ce r n .   T h c o n f ig u r atio n   o f   th d ata  tr an s m is s io n   lin is   p o in t - to - p o in t.  W h en   m o r u s er s   ar ex ch an g in g   m ess ag es,  th n etwo r k   s h if ts   in to   m esh   to p o l o g y .   Du to   th p r o p er ties   o f   L o R m o d u latio n ,   h ig h e r   SF   lead s   to   lo n g er   co m m u n ica tio n   r an g e   b u l o wer   d ata  t r an s m is s io n   r ate.   T h id ea L o R co n f ig u r atio n   d ep en d s   o n   th e   ap p licatio n   ty p e.   I n   f ac t,  th e   tr a n s m is s io n   d is tan ce   ca n   b e x ten d ed   with   b an d wid th   o f   less   th an   1 2 5   KHz ,   b u at  t h c o s o f   in cr ea s ed   tr a n s m is s io n   laten cy .   T h r ec eiv er   h as  s p ec if ied   ca p tu r e   f r eq u e n cy   r an g e,   wh ich   is   th allo wab le  p er ce n tag d if f er en ce   b etwe en   its   f r eq u en cy   a n d   th tr an s m itter f r eq u e n cy .   T h is   r an g d eter m in es  h o m u ch   th tr a n s m itter   an d   r ec eiv e r   f r eq u en cies  ca n   d if f er   wh ile  s till   allo win g   th e   r ec eiv er   to   s u cc ess f u lly   d etec th e   s ig n al.   T y p i ca lly ,   th p er ce n ta g is   2 5 o f   th b an d wid t h .   T o   illu s tr ate,   if   th b an d wid th   wer 1 0   KHz ,   th r ec eiv er   wo u ld   n ee d   to   b o n   o r   b etwe en   4 3 3 . 9 9 7 5   MH an d   4 3 4 . 0 0 2 5   MH z.   On   th o th er   h an d ,   th SF   d ef in es th n o is p er f o r m an ce   b elo w.   SF 6   an d   SF 1 2   g iv - 7 . 5   d B   an d   - 20   d B   b elo n o is p er f o r m a n ce ,   r esp ec tiv ely .   T h lar g er   SF s ,   th er ef o r e,   p r o v id e   wid er   r an g e;  th tr ad e - o f f   is   th at  h ig h er   SF   p ac k ets  tak lo n g er   to   tr a n s m it.  I n   th ca s o f   an   SF   o f   1 2   an d   B W   o f   1 2 5   KHz ,   th m ax im u m   tr a n s m is s io n   d is tan ce   is   attain ed   with   th le ast  p ac k ag lo s s   [ 2 8 ] .   T h c o d in g   r ate  ca n   also   r esu lt  in   s m all  s ig n al  g ain s   at  t h lim it  o f   r ec e p tio n ,   an d   it  v a r ies  b etwe en   4 /5   an d   4 / 8 .   Yet,   th h ig h er   4 /8   r ate   will  r esu lt  in   lo n g er   p ac k ets  [ 2 5 ] .   co d in g   r ate  o f   4 /5   was   ch o s en   b ec au s it  m ea n s   th at  f o r   ev er y   4   b its   o f   d ata,   1   r e d u n d an b it  is   ad d ed   f o r   f o r war d   er r o r   co r r ec tio n .   Hen ce ,   th p r o p o s ed   L o R d ev ices  u s ed   in   th is   wo r k   wer e   s et  at  f r eq u e n cy   o f   4 3 3   MH z,   a   b a n d wid th   o f   1 2 5   KHz ,   a   co d in g   r ate  o f   4 /5 ,   an d   a   tr an s m itti n g   p o wer   o f   1 7   d B m .   Sin ce   th ese   p ar am eter s   ca n   b ad ju s ted   in   th s o f twar e,   th r an g test   r esu lts   ar ef f ec tiv in   d eter m in in g   th o p tim al  s ettin g s .   s u m m ar y   o f   th ese  s ettin g s   is   s h o wn   in   T ab le  4 .     R eg ar d in g   th n etwo r k   a r ch it ec tu r e,   it  ca n   b d escr ib ed   a s   cu s to m   p ac k et - b ased   p r o t o co o v er   L o R at  th p h y s ical  lay er .   I n   th m ea n tim e,   s er ial - b ased   a p p licatio n   p r o to c o is   r u n n in g   o v er   B lu eto o th   f o r   u s er   ch attin g .   I n   Fig u r 4 ,   th e   B lu eto o th   lin k   h an d les  lo ca co m m u n icatio n   b etwe en   th u s er   an d   th e   d ev ice,   wh ile  th L o R lin k   h an d les  lo n g - r a n g wir eless   co m m u n icatio n   b etwe en   d e v ices.  T o g eth er ,   th e y   f o r m   a   two - h o p   s y s tem .   Alth o u g h   m esh   to p o lo g y   lea d s   to   an   in cr ea s in   n etwo r k   tr af f ic,   m esh   n etwo r k s   ca n   r ec o n f ig u r th em s elv es in   th e   ev en t o f   a   lo s s   o f   co n n ec tiv ity   to   n o d o r   g r o u p   o f   n o d es.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           N ex t g en era tio n   Lo R a - b a s ed   r esil ien t c o mmu n ica tio n   s yste fo r   d is a s ter mit ig a tio n   a n d   …  ( Al - B a r a a   E b a d )   377   T ab le  4 .   Me asu r em e n t p ar am e ter s   an d   s ettin g s   P a r a me t e r   n a m e   P a r a me t e r   v a l u e s   F r e q u e n c y   4 3 3 M H z   SF   1 2 = 4 0 9 6   c h i p s/ sy m b o l   Tr a n sm i t t e r   h e i g h t   5   m   R e c e i v e r   h e i g h t   1 . 2   m   Tr a n sm i t t e d   p o w e r   1 7   d B m   A n t e n n a   g a i n   2 . 1 5   d B i   B a n d w i d t h   1 2 5   K H z           Fig u r 4 .   Diag r a m   o f   th n etw o r k   ar c h itectu r s h o ws th p o t en tial o f   s ca lab ilit y ,   f o r m in g   a   two - h o p   m esh   to p o lo g y   n etwo r k       On   th o th er   h an d ,   th r o u tin g   o f   m ess ag es  is   s tr aig h tf o r war d   s in ce   ev er y   L o R a   d ev i ce   s en d s   m ess ag to   p ar ticu lar   L o R d ev ice  u s in g   s p ec if ic  ad d r ess .   B es id es  b r o ad ca s tin g ,   m ess ag es  f r o m   d if f er e n t   ad d r ess es  ar ig n o r ed .   T h d ev ice  u s er n am is   wh at  ap p e ar s   in   th ap p licatio n   lay er ,   wh er ea s   th p h y s ical   lay er   ad d r ess es  ar r ep r esen te d   in   h e x ad ec im al.   Fo r   ex am p l e,   0 x B B   is   th ac tu al  ad d r ess   o f   User   1 ,   as  s h o wn   in   Fig u r e   1 ,   an d   0 x FF   is   s et  f o r   b r o ad c asti n g .   Ad d itio n ally ,   th co u n ter   is   r eset  at   th s tar o f   ev er y   s ess io n ,   m ak in g   it  u s ef u l   f o r   tr o u b lesh o o tin g .   L ik ewise,   th e   m ess ag len g t h   in   b y tes  p r o v id es  i n s ig h in to   ca s es  o f   m is m atch   an d   d ata  co r r u p tio n .   Af ter war d ,   o v er - th e - ai r   tr an s m is s io n   o cc u r s   o n ce   th p ac k et  is   en d ed   af ter   wr itin g   to   th in ter n al  b u f f er ,   as sh o wn   in   Fig u r 5 .           Fig u r 5 .   Flo wch ar o f   th e   L o R co m m u n icatio n   p r o to c o l sh o win g   th d ata  f lo in   th s o f twar e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   2 Ap r il  20 26 3 7 1 - 3 8 6   378   Du r in g   t h ex p er im en ts ,   th e   m ea s u r em en ts   wer p er f o r m e d   b y   f ix in g   th e   T x   at  s p ec if ic  lo ca tio n ,   an d   th R x   was  p lace d   at  d if f e r en d is tan ce s .   T x   was  p lace d   at  h eig h o f   a p p r o x im ately   5   m .   Me asu r em en ts   wer tak en   at  s ev er al  lo ca tio n s   u n til  th m ax im u m   d is tan ce   was  r ea ch ed ,   o r   th R x   co u l d   n o   lo n g er   r ec eiv e   th m ess ag s en b y   th T x ,   as  in d icate d   b y   th e   R SS I   lev el.   Af ter war d ,   R SS I ,   SNR ,   an d   d is tan ce   r ea d in g s   wer r etr iev ed   in   C SV f o r m at  f o r   f u r th er   a n aly s is .     2 . 3   Ra ng e   t est  ex perim ent   T h ex p er im en ts   wer e   ca r r ie d   o u t   in   t h I s lam ic  U n iv er s ity   o f   Ma d i n ah   ( I UM )   ca m p u s   in   Ma d in ah ,   Sau d Ar ab ia.   T h lo ca tio n   c h o s en   f o r   t h r an g test   was  th u n iv er s ity   ca m p u s   p ar k in g   lo t,  as  s h o wn   in   Fig u r 6 .   T h s ite  is   f lat  w ith   co m p lete  L o S,  an d   it  is   s u r r o u n d ed   b y   s o m b u ild in g s .   T h ese  ex p er im en ts   to o k   p lace   in   th e   Ma d in ah   en v ir o n m e n d u r in g   J u n e.   Du r in g   th is   tim o f   th y ea r ,   th te m p er atu r es  a r in   th e   r an g o f   4 0   ° C   with   h u m id it y   o f   8 %.  T h m ax im u m   tr a n s m is s io n   d is tan ce   co u ld n ex ce ed   8 0   m   d u to   th e   ex tr em ely   h ig h   g r o u n d   tem p e r atu r es.            Fig u r 6 .   L o r an g e   test   with   T x   an d   R x   f o r   th m ax im u m   d is tan ce   o f   2 3 7 . 5   m       T h er ef o r e,   a n o th er   ex p er im en was  co n d u cted   i n   wh ich   th e   T x   was  p lace d   n ea r   win d o o n   th e   th ir d   f l o o r   o f   b u ild in g   f ac in g   th e   d ir ec tio n   o f   th e   R x .   T h tem p er atu r was  3 0   ° C ,   an d   th e   h u m i d ity   was   1 3 %.  As  r esu lt,  th e   r esear c h   team   a ch iev ed   m ax im u m   tr an s m is s io n   d is tan ce   o f   2 3 7 . 5   m ,   as  s h o wn   in   Fig u r 6 .   T h is   im p lies   th at  t h tr an s m is s io n   d is tan ce   ca n   b f u r th er   in cr ea s ed   as  th tr an s m itter   altitu d e   in cr ea s es.   Fo r   em p ir ical  a n aly s is ,   we  co n d u cted   two   r a n g e   test s   u n d er   s im ilar   s etu p   wh er R SS I   an d   SNR   r ea d in g s   wer r ec o r d e d .   W h il th f ir s ex p e r im en was  at  a   5   m   i n ter v al,   th e   s ec o n d   test   was  f o r   ev er y   m eter   to   ca p tu r th e   f in v ar iatio n s .         3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   T h PLE   v alu e   is   u s ed   as  r ef er en ce   f o r   ca lcu latin g   th e   L DPL.   T h lin ea r   r eg r ess io n   is   ap p lied ,   wh ich   is   m o d eled   with   th e   p at h - lo s s   eq u atio n   em p ir ically   [ 1 3 ] .     = +    ( 6 )      ( ) =  ( 0 )   +   10      (   d )   ( 7 )      = +    ( 8 )     W ith   th v ar iab le    as  th in itial  v alu o f   p ath - lo s s ,   wh ich   is   f r ee - s p ac lo s s   at  r ef er e n ce   d is tan ce ,   0   an d     is   th PLE   v alu e   m u ltip lied   b y   1 0 ,   a n d     is   th lo g ar ith m i v alu o f   t h r ec eiv e r   d is tan ce   d iv id ed   b y   th e   r ef er en ce   d is tan ce ,   s o   th at  th PLE   v alu is   / 10 .   T h p o s t - ex p er im e n d atasets   wer m e r g ed ,   with   o v er lap p in g   d ata  p o in ts   av e r ag ed   t o   m itig ate   s p atial  s am p lin g   b ias  an d   en h an ce   m ea s u r e m en ac c u r ac y .   Fig u r 7   s h o ws  th R SS I   an d   SNR   v alu es  in   L o co n d itio n s ,   wh er th s ig n al  f r o m   th tr an s m itter   is   d ir ec ted   to war d s   th r ec eiv er .   T h e   s ig n al  ex p er ien ce s   r ef lectio n ,   r ef r ac tio n ,   d if f r ac ti o n ,   a b s o r p tio n ,   a n d   s ca tter in g ,   wh ich   af f ec t   th r ec eiv ed   s ig n al  s tr en g t h .   T h is   ca n   b e   ascr ib ed   to   th s u r r o u n d in g   b u ild in g s   o r   th d r y ,   h o wea th er ,   as  t h laten cy   is   m o r [ 2 9 ] .   I n   b o th   m ea s u r em en ts   an d   ca lcu latio n s ,   th r ec eiv ed   s ig n al  s tr en g th   d ec r ea s es  lo g ar ith m ically   with   d is tan ce .   T h e   g r ap h s   d em o n s tr ate  r eliab le  c o m m u n icatio n   u p   t o   1 6 5   m ,   with   co n s is ten R SS I /SN R   tr en d s   an d   m in im al   p ac k et  lo s s .   B ey o n d   1 6 5   m ,   th s y s tem   ca n   m ain tain   co n n e ctiv ity   f o r   th e   m ax im u m   d is ta n ce ,   b u it  e x h ib its   s ev er p ac k et  lo s s ,   wh ich   m a y   af f ec t th r esu lts .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l           N ex t g en era tio n   Lo R a - b a s ed   r esil ien t c o mmu n ica tio n   s yste fo r   d is a s ter mit ig a tio n   a n d   …  ( Al - B a r a a   E b a d )   379   SNR   d eg r ad atio n   co r r elate d   s tr o n g ly   with   R SS I   d ec lin e,   s u g g esti n g   th at  th n o is f lo o r   is   k ey   lim itin g   f ac to r   at  L o R a s ,   as  s ee n   in   Fig u r 7 ( a) .   Ho wev er ,   SNR   is   m o r ac cu r ate  m ea s u r o f   s ig n al   q u alit y   th an   R SS I .   At  d is tan ce s   g r ea ter   th an   1 0 0   m ,   th e   SNR   ap p r o ac h es  th L o R d em o d u latio n   th r esh o ld ,   ty p ically   - 2 0   d B ,   wh ich   ex p lain s   th i n c r ea s ed   p ac k et  lo s s   b ey o n d   t h is   r an g [ 2 5 ]   T h SNR   p lo f o llo ws  lo g ar ith m ic - lik tr en d ,   d r o p p in g   s h ar p ly   with in   t h f ir s 4 0   m ,   wh ich   s u g g ests   th at  th en v ir o n m en in tr o d u ce s   s ig n if ican in ter f er en ce .   T h is   b eh av i o r   is   co n s is ten with   f u n d am e n tal  wir eless   p r o p ag atio n   th eo r y ,   wh er th s ig n al  p o wer   ty p ically   d ec ay s   lo g ar ith m ically   with   d is tan ce   d u to   f r ee - s p ac p ath - lo s s .   T h R SS I   p lo ex h ib its   r ap id   l o g ar ith m ic  d ec ay   f r o m   - 1 1 5   d B m   at  1   to   - 1 2 6   d B m   at  2 0   m ,   as   s h o w n   in   Fig u r e   7 ( b ) .   T h is   s teep   d e clin alig n s   with   f r ee - s p ac e   p a th - lo s s   ( = 2 )   b u t   is   m itig ated   b y   g r o u n d   r ef le ctio n   an d   co n s tr u cti v in ter f er en ce   in   th n ea r   f ield ,   ty p ical  o f   o p en   L o S   en v ir o n m en ts .   R SS I   co n v e r g es  to   n o is e - lim ited   f lo o r   o f   - 1 2 8   d B m   t o   - 1 2 9   d B m ,   p er s is tin g   u n til  co m m u n icatio n   f ails   at  d is tan ce   o f   1 6 5   m .   T y p ically ,   th n o is f lo o r   r e p r esen ts   th p h y s ical  lim it  o f   s en s itiv ity h o wev er ,   L o R o p er ates  b elo th is   lev el  [ 2 5 ] .   T h is   ex em p lifie s   r esil ien ce ,   u n lik co m m o n ly   u s e d   co m m u n icatio n   p r o to co ls .           ( a)   ( b )     Fig u r 7 .   T h o u t d o o r   ex p e r i m en t m ea s u r em en ts   in   L o S c o n d itio n s   o f   ( a)   SNR   ( d B )   an d   ( b )   R SS I   ( d B m )       Fig u r e s   8 ( a)   an d   ( b )   illu s tr ates  th s tan d ar d   d ev iatio n   e r r o r   b ar s ,   wh ich   u n d er s co r th v ar i ab ilit y   o f   r ea d in g s   ca u s ed   b y   th m u ltip ath   f ad i n g   a n d   i n ter f er e n ce .   E ac h   d ata  p o i n r ep r esen ts   th m ea n   v alu e   at  a   s p ec if ic  d is tan ce ,   wh er ea s   t h e   er r o r   b a r s   in d icate   t h s tan d a r d   d e v iatio n   ac r o s s   r ep ea ted   m ea s u r em en ts .   T h e   s tan d ar d   d e v iatio n   d ec r ea s es  as  th d is tan ce   in cr ea s es,  m ak in g   tr en d s   m o r e   o b s er v a b le.   Fo r   ex am p le ,   th e   s tan d ar d   d ev iatio n   o f   SNR   m ea s u r em en ts   g o es  as  lo w   a s   ± 0 . 3 5 .   I im p lies   t h at  th e   s ig n al  s h o u ld   tr av el   en o u g h   d is tan ce   f o r   a   b etter   d escr ip tio n   a n d   a n aly s is   o f   th p ath .   B y   ex cl u d in g   th e   f ir s v alu e,   th a v er ag e   s tan d ar d   d e v iatio n   o f   SNR   is   ± 2 . 3 ,   w h ile  th av er a g s tan d a r d   d ev iatio n   o f   R SS I   is   ± 0 . 8 6 .             ( a)   ( b )     Fig u r 8 .   Stan d a r d   d e v iatio n   e r r o r   b ar s   f o r   th r ep e ated   test s   o f   ( a)   SNR   an d   ( b )   R SS I ,   wh i ch   h ig h lig h t th m ea s u r em en t v ar ia b ilit y   d u t o   th p ath   lo s s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   TEL KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   2 Ap r il  20 26 3 7 1 - 3 8 6   380   Fu r th er m o r e ,   R SS I   m ea s u r em en ts   co llected   o u td o o r s   d is p lay   s ig n if ican s ig n al  f lu ctu atio n s ,   wh ich   ar co m m o n   in   o u td o o r   s ce n es  d u to   m u ltip ath   f a d in g .   T h s ig n al  in   th o u td o o r   en v ir o n m en s u f f er s   f r o m   n o is e,   r esu ltin g   in   in cr ea s ed   in ter f er en ce   an d   cr ea tin g   c h allen g in g   en v ir o n m en f o r   t esti n g   an d   an aly s is .   Su b s eq u en tly ,   th Kalm an   fi l ter   is   u tili ze d   b y   i s o latin g   th tr u s ig n al  f r o m   th n o is e - in d u ce d   v ar ian ce ,   as   s h o wn   in   Fig u r 9 .   I n   th is   r esear ch ,   Kalm an   f ilter   p ar am ete r s   ar tu n ed   t o   f it  th R SS I   f ilter in g   ap p licatio n .   Firstl y ,   n o is with in   th e   s y s tem   is   ex am in e d   th r o u g h   two   p ar am eter s R   r ef lectin g   m ea s u r em en n o is e,   an d   Q   r ep r esen tin g   in te r n al  p r o ce s s   n o is e.           Fig u r 9 .   Kalm an   f ilter   r esu lts   th at  is o late  th tr u s ig n al  f r o m   th n o is e - in d u ce d   v ar ian ce       Fu r th er m o r e ,   as  th h ei g h t   o f   T x   in cr ea s es,  th q u ality   o f   c o m m u n icatio n   wo u l d   in cr ea s e.   Ad d itio n ally ,   wh en   tem p er at u r es  ar lo w,   th n o is p o wer   i s   r ed u ce d .   T h u s ,   b etter   SNR   v alu es  ar ac h iev ed .   Alth o u g h   h o t w ea th er   m ay   s lo d o wn   p r o ce s s in g   d u t o   o v e r h ea tin g   co m p o n en ts ,   co ld   we ath er   ten d s   to   d r ain   b atter ies m o r q u ick ly   th a n   war m   wea th er   [ 2 9 ] .   As s h o wn   in   Fig u r 1 0   ( a ) ,   th PLE   is   p lo tted   as a   f u n ctio n   o f   d is tan ce .   T h e   r esu lts   s h o th a wh en   t h d is tan ce   is   less   f o r   th L o s etu p ,   th e   v alu e   o f   th e   PLE   v alu e   is   at  its   h ig h est,  clo s er   to   = 2 .   As  e x p ec t ed ,   th e   r esear ch   team   f o u n d   th at  wh en   th e   R x   is   d is p lace d   in   o u t d o o r   co n d itio n s ,   th PLE   d ec r ea s es,  v io latin g   th id ea lized   f r ee - s p ac v alu e.   T h is   d is cr ep an cy   ar is es  f r o m   g r o u n d   r ef lectio n   ef f ec ts ,   wh ich   in tr o d u ce   co n s tr u ctiv in ter f er en ce   b etwe en   th d ir ec t a n d   r ef lect ed   s ig n al  p ath s .   Fo r   m ea n in g f u l   r esu lts ,   th f o cu s   was  p lace d   o n   th p r e - s atu r atio n   r eg io n   ( 1 20   m ) ,   w h er s ig n al  d y n am ics  d o m in ate.   T h o b s e r v ed   lo g ar ith m ic  d ec a y   alig n s   clo s ely   with   th L DPL   m o d el.   Af ter   av er ag i n g   R SS I   r aw  d ata  an d   a p p ly in g   a   f iltra tio n   tech n iq u e,   th L DP L   m o d el  was  esti m ated .   T h e   L DPL  m o d el   r elies  o n   th r elatio n s h ip   b etwe en   t h R SS I   an d   th lo g ar ith m ic  s ca le  o f   d is tan ce ,   as  s h o wn   in   Fig u r 1 0 ( b ) .   T h e   r eg r ess io n   esti m atio n   lin y iel d s   th f o llo win g   ( 9 ) .        (  ) = 12 . 6    (    ) 115     ( 9 )       E s tim ated   PLE   ( )   =   1 . 2 6     I n ter ce p t ( R SS I   at  r ef er e n ce   d i s tan ce )   =   - 1 1 5   d B m           ( a)   ( b )     Fig u r 1 0 Path - lo s s   ch ar ac ter i za tio n   o f   th e   en v ir o n m e n t f o r   m ea n in g f u l in s ig h ts   o n   th e   s ig n al  b eh av i o r :     ( a)   PLE   v s .   d is tan ce   an d   ( b )   L DPL   m o d el  f o r   th f ir s t 2 0   m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.