Meshtastic mesh networks in LEO: performance analysis

Low Earth Orbit (LEO) satellite constellations represent a key technological frontier for the deployment of large-scale global communication systems. In this context, the integration of Inter-Satellite Links (ISL) enables the transition toward distributed and decentralized network architectures, capable of routing data through multi-hop communications independent of ground infrastructure. In this scenario, the use of lightweight mesh protocols, designed for resource-constrained environments, constitutes a research opportunity that remains largely unexplored. Among these, the open-source Meshtastic protocol, based on LoRa technology, stands out for its message propagation mechanism built on controlled flooding, which is potentially well-suited to the dynamic nature of space segments. The objective of this thesis is to investigate the operational feasibility and performance of Meshtastic mesh networks within LEO constellations. Given the absence of dedicated analysis tools for such configurations, the research involved extending the Meshtasticator simulator through the development of deterministic models of the orbital environment. Critical physical constraints were integrated, including Line-of-Sight (LoS) visibility, Free-Space Path Loss (FSPL), and frequency shifts induced by the Doppler effect. The experimental investigation focused on the systematic analysis of connectivity and reachability metrics, evaluating the influence of LoRa modem configuration parameters,Spreading Factor, Bandwidth, and Coding Rate, as well as constellation density on the overall network behavior. The results highlight how system performance emerges from the complex interaction between the physical layer and Medium Access Control (MAC) protocols. In particular, the study reveals that maximizing physical link availability does not necessarily correlate with increased packet delivery efficiency, due to the onset of channel congestion phenomena. In conclusion, this thesis demonstrates the potential of LoRa mesh networks for satellite applications, identifying optimal configurations and operational boundaries required for their effective deployment in dynamic environments.

Le costellazioni satellitari in orbita terrestre bassa (LEO) rappresentano una frontiera tecnologica fondamentale per l'implementazione di sistemi di comunicazioni globali su vasta scala. In tale ambito, l’integrazione di collegamenti inter-satellitari (Inter-Satellite Links, ISL) consente la transizione verso architetture di rete distribuite e decentralizzate, capaci di instradare dati attraverso comunicazioni multi-hop indipendenti dalle infrastrutture di terra. In questo scenario, l’impiego di protocolli mesh lightweight, concepiti per ambienti a risorse limitate, costituisce un’opportunità di ricerca ancora ampiamente inesplorata. Tra questi, il protocollo open-source Meshtastic, basato su tecnologia LoRa, si distingue per un meccanismo di propagazione dei messaggi fondato sul flooding controllato, potenzialmente adatto alla natura dinamica dei segmenti spaziali. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è investigare la fattibilità operativa e le prestazioni di reti mesh Meshtastic all'interno di costellazioni LEO. Data l'assenza di strumenti di analisi specifici per tali configurazioni, la ricerca ha previsto l’estensione del simulatore Meshtasticator attraverso lo sviluppo di modelli deterministici del contesto orbitale. Sono stati quindi integrati vincoli fisici critici quali la visibilità Line-of-Sight (LoS), l'attenuazione di tratta in spazio libero (Free-Space Path Loss) e le deviazioni di frequenza indotte dall'effetto Doppler. L'indagine sperimentale si è focalizzata sull'analisi sistematica di metriche di connettività e reachability, valutando l’influenza dei parametri di configurazione del modem LoRa (Spreading Factor, Bandwidth e Coding Rate) e della densità della costellazione sul comportamento globale della rete. I risultati ottenuti evidenziano come le prestazioni del sistema emergano dalla complessa interazione tra il livello fisico e i protocolli di accesso al mezzo (MAC). In particolare, lo studio rivela che una massimizzazione della disponibilità dei collegamenti fisici non correla necessariamente con un incremento dell'efficienza di consegna dei pacchetti, a causa dell'insorgere di fenomeni di congestione del canale. In conclusione, la tesi dimostra il potenziale delle reti mesh LoRa per applicazioni satellitari, identificando le configurazioni ottimali e i limiti operativi necessari per una loro implementazione efficace in ambienti dinamici.