Turbo-FSK, a Physical Layer for Low Power Wide Area Networks: Analysis and Optimization

Turbo-FSK, une couche physique pour les réseaux longue portée basse consommation : optimisation et comparaison.

Yoann Roth (1) , Jean-Baptiste Doré (1) , Laurent Ros (2) , Vincent Berg (1)

1 CEA-LETI - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information
2 GIPSA-CICS - GIPSA - Communication Information and Complex Systems

As the Internet-of-Things is becoming a reality, the need for a new Low Power Wide Area (LPWA) network emerged in the last few years. Numerous low cost devices will be connected and this requires an optimization of the link budget: the physical layer needs to be designed highly energy efficient. The combination of M-ary orthogonal Frequency-Shift-Keying (M-FSK) modulation and coding in the same process has been shown to be a promising candidate when associated to an iterative receiver (turbo principle). In this work, we study this new digital transmission scheme, called Turbo-FSK. An EXtrinsic Information Transfer (EXIT) Chart analysis is realized. The influence of the packet length is investigated, and the scheme is shown to stay energy efficiency even with short packet sizes. Comparison with LPWA current technologies is performed, showing the potential of this technology.

L'Internet des Objets devient une réalité, et depuis plusieurs années le besoin d'un nouveau réseau longue portée basse consommation est apparu. Le but de ce réseau est de connecter un grand nombre de noeuds à faible coût, tout en optimisant le bilan de liaison. La couche physique doit alors alorsêtre définie très efficace energétiquement. La combinaison de la modulation orthogonale de fréquencè a M états avec un codage canal dans un processus conjoint, et non successif, à l'émission se révèle très efficace lorsqu'un récepteur itératif est utilisé. Ce papier concerne l'étude de cette technique Turbo-FSK avec l'outil d'analyse itérative EXIT (EXtrinsic Information Transfer, en anglais). La métrique est adaptée au cas de la M-FSK et l'influence de la taille du paquet est étudiée. On montre alors que la technique reste performante même lorsque que la taille de paquet est réduite. La comparaison avec des techniques actuelles est réalisée, montrant le potentiel de la technologie proposée.

Mots clés: Turbo FSK; Low rate; Internet of Things (IoT); Low Power Wide Area (LPWA)

Domaines: Traitement du signal et de l'image [eess.SP]

Yoann Roth, Jean-Baptiste Doré, Laurent Ros, Vincent Berg. Turbo-FSK, a Physical Layer for Low Power Wide Area Networks: Analysis and Optimization. Comptes Rendus. Physique, 2017, Part of special issue: Energy and radiosciences, 18 (2), pp.178-188. ⟨10.1016/j.crhy.2016.11.005⟩. ⟨hal-01413867⟩