LoRa is a modulation technology for low power wide area networks (LPWAN) with enormous potential in 5G era. However, the performance of LoRa system deteriorates seriously in fading-channel environments. To tackle this problem, in this paper we introduce multiple-input-multiple-output (MIMO) configuration employing space-time block coding (STBC) schemes into the LoRa system to formulate an STBC-MIMO LoRa system. Then, we investigate the theoretical performance of the proposed system over Rayleigh fading channels. To this end, we derive the distribution of the decision metric for the demodulator in the proposed system. Based on the above distribution, we propose a closed-form approximate BER expression of the proposed system when perfect and imperfect channel state information (CSI) are considered. Furthermore, we analyze the diversity order and the throughput of the proposed system. The results of the diversity analysis demonstrate that the diversity order of the system in the imperfect CSI scenario with fixed channel estimate error variance is zero. However, in the imperfect CSI scenario with a decreasing channel estimate error variance and the perfect CSI scenario, the system can achieve full diversity. In addition, the results of the throughput analysis show that the throughput of the proposed system is little affected by CSI conditions. Simulation results verify the accuracy of the theoretical analysis and the excellent performance of the proposed system. Due to such superiority, the proposed STBC-MIMO LoRa system can be considered as a good scheme for LPWAN.

中文翻译：

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新型 STBC-MIMO LoRa 系统的设计与性能分析

LoRa 是一种用于低功耗广域网 (LPWAN) 的调制技术，在 5G 时代具有巨大潜力。然而，LoRa 系统的性能在衰落信道环境中严重恶化。为了解决这个问题，在本文中，我们将采用空时分组编码 (STBC) 方案的多输入多输出 (MIMO) 配置引入到 LoRa 系统中，以制定 STBC-MIMO LoRa 系统。然后，我们研究了所提出的系统在瑞利衰落信道上的理论性能。为此，我们推导出所提出系统中解调器的决策度量的分布。基于上述分布，当考虑完美和不完美的信道状态信息 (CSI) 时，我们提出了所提出系统的封闭形式近似 BER 表达式。此外，我们分析了所提出系统的分集顺序和吞吐量。分集分析结果表明，在不完美CSI场景下，系统的分集阶数在固定信道估计误差方差为零。然而，在信道估计误差方差减小的不完美CSI场景和完美CSI场景中，系统可以实现全分集。此外，吞吐量分析的结果表明，所提出系统的吞吐量受CSI条件的影响很小。仿真结果验证了理论分析的准确性和所提出系统的优异性能。由于这种优势，提出的 STBC-MIMO LoRa 系统可以被认为是 LPWAN 的一个很好的方案。分集分析结果表明，在不完美CSI场景下，系统的分集阶数在固定信道估计误差方差为零。然而，在信道估计误差方差减小的不完美CSI场景和完美CSI场景中，系统可以实现全分集。此外，吞吐量分析的结果表明，所提出系统的吞吐量受CSI条件的影响很小。仿真结果验证了理论分析的准确性和所提出系统的优异性能。由于这种优势，提出的 STBC-MIMO LoRa 系统可以被认为是 LPWAN 的一个很好的方案。分集分析结果表明，在不完美CSI场景下，系统的分集阶数在固定信道估计误差方差为零。然而，在信道估计误差方差减小的不完美CSI场景和完美CSI场景中，系统可以实现全分集。此外，吞吐量分析的结果表明，所提出系统的吞吐量受CSI条件的影响很小。仿真结果验证了理论分析的准确性和所提出系统的优异性能。由于这种优势，提出的 STBC-MIMO LoRa 系统可以被认为是 LPWAN 的一个很好的方案。在信道估计误差方差减小的不完美CSI场景和完美CSI场景下，系统可以实现全分集。此外，吞吐量分析的结果表明，所提出系统的吞吐量受CSI条件的影响很小。仿真结果验证了理论分析的准确性和所提出系统的优异性能。由于这种优势，提出的 STBC-MIMO LoRa 系统可以被认为是 LPWAN 的一个很好的方案。在信道估计误差方差减小的不完美CSI场景和完美CSI场景下，系统可以实现全分集。此外，吞吐量分析的结果表明，所提出系统的吞吐量受CSI条件的影响很小。仿真结果验证了理论分析的准确性和所提出系统的优异性能。由于这种优势，提出的 STBC-MIMO LoRa 系统可以被认为是 LPWAN 的一个很好的方案。仿真结果验证了理论分析的准确性和所提出系统的优异性能。由于这种优势，提出的 STBC-MIMO LoRa 系统可以被认为是 LPWAN 的一个很好的方案。仿真结果验证了理论分析的准确性和所提出系统的优异性能。由于这种优势，提出的 STBC-MIMO LoRa 系统可以被认为是 LPWAN 的一个很好的方案。