Análise de técnicas de Machine Learning aplicadas para geolocalização LoRa

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2021
Autor(a) principal: Cavalli, Darlan Tomazoni
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade de Passo Fundo
Instituto de Ciências Exatas e Geociências – ICEG
Brasil
UPF
Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://repositorio.upf.br/handle/123456789/1821
Resumo: LoRa is a low-power, long-range wireless communication system that supports native geolocation, through the analysis of network metadata, without the need for other geolocation technologies (e.g. GPS). A commercial solution for this functionality is offered by the proprietary LoRa Cloud Geolocation service, based on conventional multilateration algorithms, whose prerequisite is the reception of transmissions from each device by at least three gateways simultaneously. However, the low accuracy is the main limitation inherent to the native LoRa geolocation, which can vary between 20 m and 2000 m. The systematic mapping carried out in this work revealed that 40% of the studies used some type of machine learning technique with the general aim of improving the levels of accuracy, of which artificial neural networks stand out due to their affinity with non-linearities and other complexities of propagation of the LoRa signal. However, there is a scarcity of studies that validate the neural network approach with data from real LoRaWAN networks. With this in mind, a series of basic models of dense neural networks (DNN) are tested, based on the concept of geolocation by fingerprinting, using metadata from stationary devices of a professional-private LoRaWAN network, which covers the area. urban area of ​​a city of approximately 200 thousand inhabitants. The implementation is characterized by a series of typical adversities for native geolocation, such as a low number of gateways, a large share of uplinks with less than three receiving gateways, and the Adaptive Data Rate (ADR) parameter enabled. As a result, it appears that, despite this set of adversities and the basic architecture of the neural network models used, it was possible to estimate the geographic coordinates of the devices with an average accuracy equivalent to that of the proprietary LoRa Cloud Geolocation service, even for devices with less than three receiver gateways, which points to an advantage over conventional multilateration.
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The systematic mapping carried out in this work revealed that 40% of the studies used some type of machine learning technique with the general aim of improving the levels of accuracy, of which artificial neural networks stand out due to their affinity with non-linearities and other complexities of propagation of the LoRa signal. However, there is a scarcity of studies that validate the neural network approach with data from real LoRaWAN networks. With this in mind, a series of basic models of dense neural networks (DNN) are tested, based on the concept of geolocation by fingerprinting, using metadata from stationary devices of a professional-private LoRaWAN network, which covers the area. urban area of ​​a city of approximately 200 thousand inhabitants. The implementation is characterized by a series of typical adversities for native geolocation, such as a low number of gateways, a large share of uplinks with less than three receiving gateways, and the Adaptive Data Rate (ADR) parameter enabled. As a result, it appears that, despite this set of adversities and the basic architecture of the neural network models used, it was possible to estimate the geographic coordinates of the devices with an average accuracy equivalent to that of the proprietary LoRa Cloud Geolocation service, even for devices with less than three receiver gateways, which points to an advantage over conventional multilateration.LoRa é um sistema de comunicação wireless de longo alcance e de baixa potência que suporta geolocalização nativa, por meio da análise dos metadados da rede, sem a neces-sidade de outras tecnologias de geolocalização (e.g. GPS). Uma solução comercial dessa funcionalidade é oferecida pelo serviço proprietário LoRa Cloud Geolocation, baseado em algoritmos convencionais de multilateração, cujo pré-requisito é a recepção das transmis-sões de cada dispositivo por, no mínimo, três gateways simultaneamente. Entretanto, a baixa acurácia é a principal limitação inerente à geolocalização LoRa nativa, que pode va-riar entre 20 m e 2.000 m. O mapeamento sistemático realizado neste trabalho revelou que 40% dos estudos utilizaram algum tipo de técnica de machine learning com o intuito geral de melhorar os níveis de acurácia, das quais as redes neurais artificiais destacam-se pela afinidade com as não linearidades e demais complexidades de propagação do sinal LoRa. Observou-se, porém, uma escassez de estudos que validem a abordagem de redes neurais com dados provenientes de redes LoRaWAN reais. Tendo isso em vista são testa-dos uma série de modelos básicos de redes neurais densas (DNN), baseados no conceito de geolocalização por fingerprinting, valendo-se de metadados provenientes de dispositivos estacionários de uma rede LoRaWAN profissional-privada, que cobre a área urbana de uma cidade de aproximadamente 200 mil habitantes. A implementação é caracterizada por uma série de adversidades típicas para a geolocalização nativa, tais como baixa quantidade de gateways, grande parcela de uplinks com menos de três gateways receptores, e parâme-tro Adaptive Data Rate (ADR) habilitado. Como resultado constata-se que, apesar desse conjunto de adversidades e da arquitetura básica dos modelos de redes neurais utilizados, foi possível estimar as coordenadas geográficas dos dispositivos com uma acurácia média equivalente à do serviço proprietário LoRa Cloud Geolocation, inclusive para dispositivos com menos de três gateways receptores, o que aponta para uma vantagem em relação à multilateração convencional.Universidade de Passo FundoInstituto de Ciências Exatas e Geociências – ICEGBrasilUPFPrograma de Pós-Graduação em Computação AplicadaHölbig, Carlos Amaralhttp://lattes.cnpq.br/5419646313109789Cavalli, Darlan Tomazoni2025-05-07T12:44:50Z2021-03-19info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfapplication/pdfCAVALLI, Darlan Tomazoni. Análise de técnicas de Machine Learning aplicadas para geolocalização LoRa. 2021. 88 f. Dissertação (Mestrado em Computação Aplicada) - Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, RS, 2021.https://repositorio.upf.br/handle/123456789/1821porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UPFinstname:Universidade de Passo Fundo (UPF)instacron:UPF2025-10-23T12:47:31Zoai:repositorio.upf.br:123456789/1821Repositório InstitucionalPRIhttp://repositorio.upf.br/oai/requestjucelei@upf.br||biblio@upf.bropendoar:16102025-10-23T12:47:31Repositório Institucional da UPF - Universidade de Passo Fundo (UPF)false
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