Doctoral Thesis

Increasing the Data Throughput of LoRa Technology Using Superposition

Final Thesis 2.41 MB Summary of Thesis 2.41 MB

Author of thesis: Ing. Jan Pospíšil, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Radek Fujdiak, Ph.D.

Reviewers: doc. Mgr. Josef Horálek, Ph.D., prof. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D.

Abstract:

The core of this dissertation is the study and verification of a method for controlled superposition of frames with different spreading factors, aimed at increasing the user data throughput of LoRa technology. The work is based on the assumption that, by appropriately splitting user data into two frames that overlap in time and frequency, parallel transmission can be achieved within a single channel without a substantial degradation of reception reliability. The proposed approach uses a controlled overlap of two transmission branches and, at the receiver, assumes standard detection extended by successive interference cancellation. Both the choice of the spreading-factor pair and an isochronous split of the data play a key role, with the aim of equalizing the time-on-air and maintaining both branches with sufficient signal-to-noise ratio margin above the demodulation threshold. The method is formalized, implemented, and experimentally verified under controlled laboratory conditions. Attention is given to identifying suitable combinations of spreading factors, estimating practical operating settings for the power offset between branches, and evaluating the benefit of successive interference cancellation. Furthermore, a single-header and single-preamble concept is introduced as a mechanism to reduce protocol overhead. The results show that the proposed controlled superposition can provide a significant increase in the transmitted user data volume while causing only marginal degradation of link robustness and maintaining compliance with regulatory limits in unlicensed bands. The work therefore offers a systematic treatment of superposition in the LoRa context and describes the conditions under which its benefits are practically achievable.

Keywords:

LoRa; controlled frame superposition; power offset; signal-to-noise ratio margins; successive interference cancellation; isochronous payload partitioning and time-on-air; robustness/demodulation threshold; single-header superposition; user throughput enhancement.

Date of defence

08.04.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Disertant jasně a stručně objasnil základní vědecké výsledky a zodpověděl všechny otázky oponentů a členů komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Teleinformatics (DKC-TLI)

Composition of Committee

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Mlýnek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Martinásek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jan Jeřábek, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Josef Horálek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Radek Fujdiak, Ph.D.

Doktorand si vybral aktuální, odborně náročné a z hlediska současného výzkumu bezdrátových nízkoenergetických sítí velmi relevantní téma. Nejde o téma jednoduché ani metodicky přímočaré. V průběhu doktorského studia bylo nutné postupně zpřesňovat výzkumnou otázku, hledat vhodný experimentální přístup a kriticky vyhodnocovat dílčí výsledky. Právě v tom doktorand prokázal schopnost samostatné vědecké práce. Dokázal se v problému zorientovat, formulovat vlastní přístup, průběžně jej korigovat na základě získaných poznatků a dovést řešení do podoby ucelené a kvalitní disertační práce.

Jako školitel oceňuji zejména jeho vytrvalost, systematičnost a vysoké pracovní nasazení. Doktorand se nespokojil s dílčími výsledky ani s jednodušší cestou, ale hledal věcně podložené a experimentálně ověřitelné řešení. V průběhu studia prokázal nejen odbornou samostatnost, ale i odpovědný, korektní a etický přístup k vědecké práci. Individuální studijní plán plnil řádně a v řadě oblastí nad rámec stanovených požadavků.

Za hlavní přínos práce považuji systematické zpracování problematiky řízené superpozice LoRa rámců s různými faktory rozprostření, včetně návrhu metodiky rozdělení uživatelských dat, optimalizace výkonového odstupu mezi větvemi a experimentálního ověření přínosu postupného odstraňování rušení. Pozitivně hodnotím i to, že doktorand věnoval pozornost nejen dosaženému navýšení propustnosti, ale i limitům navrženého řešení, jeho robustnosti a podmínkám praktické použitelnosti. Za původní a hodnotný výsledek považuji rovněž návrh konceptu jednotné hlavičky, který dále rozvíjí efektivitu navrženého přístupu. Celkově hodnotím disertační práci jak po věcné i formální stránce jako velmi kvalitní, metodicky promyšlenou a přínosnou pro další rozvoj oboru.

Doktorand výsledky své vědecké práce průběžně publikoval, a to jak na odborných konferencích, tak v časopiseckých výstupech. Publikační činnost považuji za odpovídající požadavkům doktorského studia a z hlediska průběhu studia za velmi dobrou. Pozitivně hodnotím zejména to, že publikační výstupy nevznikaly jednorázově na konci studia, ale průběžně doprovázely jeho výzkumnou činnost a dokumentují postupný odborný růst doktoranda. Lze konstatovat, že publikační požadavky stanovené v rámci studia splnil.

V průběhu doktorského studia byl doktorand aktivně zapojen do několika vědecko-výzkumných a aplikačně orientovaných projektů. Tuto skutečnost považuji za významnou, protože dokládá jeho schopnost uplatnit odborné znalosti nejen v akademickém výzkumu, ale i v týmové projektové spolupráci a v tématech s přesahem do praxe. Jeho účast v projektech současně přispěla k rozšíření odborného záběru i k lepšímu ukotvení výsledků disertační práce v širším kontextu.

Doktorand se v průběhu studia věnoval rovněž pedagogické činnosti. Podílel se na vedení laboratorních cvičení a na vedení studentských prací, přičemž své pedagogické povinnosti plnil svědomitě a spolehlivě. Vedle formálně stanovené pedagogické praxe byl ochoten zapojovat se i do další výuky a v tomto směru byl pro pracoviště přínosem. Oceňuji jeho vstřícný přístup, ochotu a zodpovědnost při zajišťování výuky.

Celkově Ing. Jan Pospíšil v průběhu doktorského studia prokázal schopnost samostatné vědecké a tvůrčí činnosti. Předložená disertační práce obsahuje původní výsledky, je po odborné i formální stránce na vysoké úrovni a představuje kvalitní příspěvek k problematice zvyšování datové propustnosti technologie LoRa. Doktorand současně prokázal vlastnosti, které jsou pro úspěšné absolvování doktorského studia podstatné, zejména samostatnost, vytrvalost, odbornou odpovědnost a schopnost systematické práce.

Předloženou disertační práci proto doporučuji k obhajobě.
viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 3,95 MB

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 901,77 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová