Optimisation et caractérisation expérimentale des réseaux étendus à faible consommation d'énergie

Optimization and experimental characterization of Low Power Wide Area Networks

• Auteur / Autrice : Takwa Attia
• Direction : Martin Heusse, Andrzej Duda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de Grenoble
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Drakkar (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Valois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Caillouet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Valois, Alexandre Guitton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie -- Consommation d'énergie

Internet des objets

Réseaux à grande distance (informatique)

Mots clés libres

LoRa

Experimentation

Accès canal

LoRa

IoT

Experimentations

Channel acces

Capture effect

Résumé

Les réseaux étendus à faible consommation d'énergie (LPWAN) connaissent un élan sans précédent et suscitent un intérêt croissant de la part des universités et de l'industrie. Ils répondent parfaitement aux besoins d'un réseau à faible consommation d'énergie et à longue portée, capables de fournir une connectivité efficace dans une vaste zone pour construire l'Internet des objets (IoT) à grande échelle.Cette thèse se concentre sur la technologie LoRa/LoRaWAN, un candidat LPWAN prometteur, qui offre de nombreux avantages mais présente quelques défis en termes d'évolutivité et de fiabilité. Pendant cette thèse, nous avons commencé par considérer l'étude, l'évaluation et la caractérisation de la qualité du lien radio du réseau LoRaWAN; puis nous avons envisagé de remédier à une limitation majeure de la technologie, la méthode d'accès, en proposant une technique pour améliorer la capacité du réseau.Dans un premier temps, nous explorons l'état actuel du réseau LoRaWAN en surveillant une passerelle LoRaWAN et en effectuant une analyse approfondie des différents paramètres utilisés par le traffic ambiant. Dans un second temps, nous évaluons et caractérisons la qualité de transmission des liens LoRa en mesurant le débit de réception de paquets(PRR) en fonction de la longueur de la charge utile. Nous avons mené de multiples expériences sur le réseau The Things Network (TTN). Elles ne montrent qu'un léger impact de la longueur de la charge utile sur le PRR.Dans la troisième partie, nous caractérisons expérimentalement le canal sans fil en déterminant son comportement global et en examinant de quels facteurs ce comportement dépend. Pour un émetteur placé à l'intérieur ou à l'extérieur, nous étudions le comportement du sous-canal et concluons sur la façon dont il affecte le canal global agrégé. Enfin, nous explorons la variabilité temporelle du canal pour différentes passerelles et caractérisons les différents comportement possibles.Enfin, nous abordons l'un des principaux facteurs limitant des réseaux LoRaWAN, la méthode d'accès de type Aloha. Nous étudions comment la technologie Message In Message (MIM) pour LoRaWAN améliore la capacité du réseau en développant un modèle analytique et une simulation détaillées dans NS-3. Alors que LoRaWAN avec effet de capture ne permet d'utiliser que23% de la capacité du canal, nous montrons que l'intégration de MIM permet d'augmenter ce taux d'utilisation jusqu'à 35% dans un scénario de cellule LoRaWAN unique.

Low Power Wider Area Networks (LPWAN) are getting increased interest from academia and industry. They address the Internet of Things (IoT) needs for low power and long-range networks, providing efficient connectivity over wide areas and enabling innovative applications.This thesis focuses on the LoRa/LoRaWAN technology, a promising LPWAN candidate, which offers many advantages but presents some challenges in terms of scalability and reliability.In the first part of this thesis, we study, evaluate, and characterize the LoRaWAN network link quality; then, we consider one of the major limitations of the technology, namely the channel access, by proposing a technique to improve the capacity of the network.In a first contribution, we explore the actual LoRaWAN network state by monitoring all traffic on a LoRaWAN gateway and, subsequently, conducting a thorough analysis of the current practice for setting the different parameters by the ambient traffic.In a second contribution, we evaluate and characterize the transmission quality of LoRa links by measuring the Packet Reception Rate (PRR) as a function of the payload length. We conducted extensive experiments on a test-bed in The Things Network (TTN) and investigated the resulting analysis, which shows only a slight impact on the payload length on PRR.In the third contribution, we characterize the wireless channel experimentally, determine its behavior, and examine what factors depend on it.For both an indoor and outdoor sender, we have identified different patterns, considering the time variability of the channel at different gateways.Finally, we address one of the major limiting factors in LoRaWAN networks, the Aloha-like access method.We study how the Message In Message (MIM) technique for LoRaWAN would have the potential to improve the network capacity. We show that while LoRaWAN with capture effect only allows reaching 23% of the channel utilization, MIM enables us to increase this utilization rate up to 35% in a single LoRaWAN cell scenario.