Radio access mechanisms for massive machine communication in long-range wireless networks

par Qipeng Song

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Loutfi Nuaymi.

Soutenue le 07-11-2017

à l'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire , dans le cadre de École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes) , en partenariat avec Département Systèmes Réseaux, Cybersécurité et Droit du numérique (laboratoire) , Advanced technologies for operated networks (laboratoire) et de Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) (laboratoire) .

Le président du jury était Tijani Chahed.

Le jury était composé de Loutfi Nuaymi, Tijani Chahed, Philippe Martins, Martin Heusse, Christophe Fourtet, Lina Mroueh, Xavier Lagrange.

Les rapporteurs étaient Philippe Martins, Martin Heusse.

  • Titre traduit

    Mécanismes d'accès radio pour la télécommunication de type machine massive dans les réseaux sans fil à longue portée


  • Résumé

    En tant qu'étape importante vers une société intelligente, hormis la communication d'humain à humain (H2H), les réseaux sans fil de l'avenir devraient prendre en charge la communication machine-à-machine (également connue sous le nom de MTC). Ce dernier est un nouveau paradigme de communication dans lequel les terminaux peuvent parler les uns avec les autres sans ou avec peu d'intervention humaine. Avec la prolifération rapide des applications M2M, un grand nombre de terminaux seront déployés dans de nombreux types d'applications telles que le comptage intelligent, l'automatisation de l'industrie, la télésanté, etc.Cependant, les réseaux sans fil actuels ne sont toujours pas prêts pour écouler correctement le trafic des MTC. La raison en est double. Tout d'abord, l'évolution du réseau sans fil vise à augmenter le débit et à réduire le délai. Deuxièmement, les caractéristiques spéciales des MTC, telles qu'un nombre très élevé de terminaux déployés, une petite charge utile mais une transmission fréquente, un emplacement souvent d'installation défavorable, etc., font que les exigences de H2H ne sont pas partagés par la plupart des cas d'utilisation M2M.À partir de l'état de l'art, nous distinguons deux orientations de recherche possibles pour gérer efficacement le trafic M2M: Low Power Wide Area Network (LPWAN) et adaptation des réseaux cellulaires existants. Pour les deux pistes, les mécanismes d'accès radio, utilisés dans le réseau d'accès radio (RAN) sont d'une importance vitale pour assurer le succès de MTC. De ce point de vue, le mécanisme d'accès radio est le principal objectif de nos études. Dans cette thèse, nous présentons les contributions couvrant les aspects susmentionnés.Les contributions de cette thèse sont résumées dans les points suivants:Nous faisons état de l'art sur les études liées à l'efficacité énergétique des MTC de la littérature. La contribution principale de cette enquête est de passer en revue, classifier les travaux de recherche existants dans différentes catégories, et de comparer les avantages et les inconvénients entre les catégories. Nous parlons également des progrès de l'approche basée sur les LPWAN.Nous étudions l'impact de la diversité du niveau de puissance d'émission et du contrôle de puissance imparfait sur les systèmes LPWAN en slotted-ALOHA. Quelques directives de conception perspicaces sont obtenues en manipulant le modèle analytique établi.Nous étudions les performances du système LPWAN avec la diversité de la réception macro. En utilisant la géométrie stochastique, nous établissons des formules simples de forme fermée pour le taux de perte de paquets et le débit spatial. Ces formules sont très utiles pour analyser les réseaux LPWAN (en particulier dans les zones urbaines) et pour quantifier le gain de capacité du système. En rassemblant plusieurs résultats disponibles sur l'analyse de l'ALOHA pure, nous obtenons finalement un cadre de synthèse pour étudier le RAN de LPWAN.En termes d'adaptations au RAN des réseaux LTE, nous analysons d'abord le mécanisme d'accès aléatoire conventionnel dans LTE et identifions les inefficacités existantes. Nous proposons ensuite un service d'interrogation multipériodique pour les cas d'utilisation M2M périodiques. Le service proposé est comparé au mécanisme d'accès aléatoire conventionnel en LTE dans un modèle fluide. Les résultats numériques montrent que le service proposé réduit considérablement la consommation des ressources système telles que l'identificateur temporaire de réseau radio (RNTI), le bloc de ressources (RB) et a une efficacité énergétique supérieure en raison de l'évitement de la procédure d'accès aléatoire et des messages de signalisation associés.


  • Résumé

    As a key step toward a smart society, apart from the Human-to-Human (H2H) communication, the future wireless networks, are expected to accommodate Machine-to-Machine Communication (also known as Machine Type Communication (MTC)). The latter is a new communication paradigm in which the devices can talk with each other without or with little human intervention. With the rapid proliferation of M2M applications, a huge number of devices will be deployed in many types of use cases such as smart metering, industry automation, e-health, etc. However, the current wireless networks are still not ready to hold traffic from MTC. The reason is twofold. First, the evolution of the wireless network seeks for higher throughput and lower latency. Second, the special features that MTC exhibits, such as huge number of deployed devices, small payload but frequent transmission, adverse installation location, etc., lead to that the requirements by H2H are no longer required by most of M2M use cases.From the state-of-the-art work, we find that two possible research orientations to efficiently handle M2M traffic: Low Power Wide Area Network (LPWAN) and adaption of the existing cellular networks. For both of them, the radio access mechanisms, used in Radio Access Network (RAN), is vitally important to make MTC a promising technology. From this view, radio access mechanism is the main focus of our studies. In this thesis, we present the contributions covering the aforementioned aspects: performance evaluation of ALOHA-based LPWAN networks, and a polling service that is an extension to RAN of LTE networks for periodic M2M traffic.The contributions of this thesis are summarized on the following axis: We make a survey about the energy efficiency related studies in the literatures. The main contribution in this survey is to review, classify the existing research works into different categories, and compare the pros and cons between categories. We also review the advances of the LPWAN related study. We study the impact of transmit power level diversity and imperfect power control to the slotted ALOHA based LPWAN systems. Some insightful design guidelines are obtained by manipulating the established analytical model. We study the performance of LPWAN system with macro reception diversity. By stochastic geometry, we get simple closed-form formulas for the packet loss rate and spatial throughput, which were unknown before. These formulas are very useful to analyze LPWAN networks (especially in urban areas) and to quantify the system capacity gain. By gathering several available results about the analysis of non slotted ALOHA, we finally get a synthesis framework to study the RAN of LPWAN. In terms of adaptations to RAN of LTE networks, we first analyze the conventional random access mechanism in LTE and identify the existing inefficiencies. We then propose a multiple period polling service for periodic M2M use cases. The proposed service is compared with conventional random access mechanism in LTE in a fluid model. The numerical results show that the proposed service dramatically reduces the consumption of system resources such as Radio Network Temporary Identifier (RNTI), Resource Block (RB) and has a higher energy efficiency due to the avoidance of random access procedure and related signaling messages.


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