Shémas de codage binaires et non-binaires pour l'Internet des Objets

Binary and non-binary coding schemes for the Internet of Things

• Auteur / Autrice : Jocelyn Bourduge
• Direction : Charly Poulliat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 12/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-2025)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Guilloud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charly Poulliat, Frédéric Guilloud, Iryna Andriyanova, Valérian Mannoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Boutillon, Laurent Ros
• DOI : 10.70675/01a1a9e3z83c6z4654z99f9z670481f8acf5

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Codes correcteurs d'erreurs (théorie de l'information)

Mots clés libres

Forme d'onde codée

Internet des objets

Codage canal

Coded waveform

Internet of things

Channel coding

Résumé

L'Internet des Objets (IoT), permettant l'interconnectivité de dispositifs physiques capables de collecter et d'échanger des données, connait depuis quelques années un immense intérêt. Son cercle d'influence touche de nombreux domaines très diverses comme par exemple la santé, l'agriculture, l'industrie ou bien encore les villes connectées.Cependant, le déploiement à grande échelle des équipements IoT peut présenter des difficultés, notamment pour des applications nécessitant des communications longue portée avec une faible consommation énergétique, tout en assurant des transmissions sans erreur dans des environnements très diverses. Les réseaux longue portée et à faible consommation énergétique (LPWANs) sont une solution qui proposent diverses technologies répondant aux contraintes des applications. L'une de ces technologies très populaires est la solution LoRa déployée dans les réseaux LoRa longue portée (LoRaWANs). Cette technologie basée notamment sur une modulation par étalement de spectre en utilisant un chirp (CSS), assure une transmission longue portée avec un faible débit et garantissant une bonne durée de vie des batteries des dispositifs IoT dans des environnements très contraignants. De plus, les codes correcteurs d'erreurs jouent un rôle primordial dans les communications modernes en détectant et corrigeant des erreurs de transmission en ajoutant de la redondance dans les messages envoyés. Pour les applications IoT, ces derniers peuvent éviter la retransmission de messages érronnés ou bien de diminuer la puissance d'émission, ce qui permet dans les deux cas de sauvegarder la batterie des équipements. Dans le contexte LoRaWAN, le choix de codes simples comme des codes de Hamming a été fait afin d'assurer un certain seuil de performance tout en ayant une complexité faible au niveau du décodage.Dans cette thèse, nous proposons tout d'abord une étude approfondie de la modulation LoRa et de nouvelles modulations basées sur LoRa proposées dans la littérature afin d'optimiser l'efficacité spectrale du signal. Ces nouvelles modulations proposent notamment l'ajout d'information dans la phase, l'emploi d'autres types de chirp ou bien l'utilisation de la composante en quadrature du signal. On s'intéresse aussi aux codes correcteurs d'erreurs pour ce type de modulation et pour des messages de petite taille dans divers environnements. On met notamment en lumière l'intérêt de schémas binaires codés itératifs utilisant des codes LDPC optimisés ou bien des schémas binaires codés à plusieurs étages (MLC) employant des codes polaires. Enfin, nous nous intéressons à des schémas codés non-binaires contraints par des ordres de modulations très élevés et des mots de code très courts en mettant en exergue le rapport performance/coût.

The Internet of Things (IoT), enabling the interconnection of physical devices capable of collecting and exchanging data, has garnered immense interest in recent years. Its sphere of influence encompasses numerous diverse domains such as healthcare, agriculture, industry, and smart cities.However, the large-scale deployment of IoT devices can pose challenges, especially for applications requiring long-range communication with low power consumption, while ensuring error-free transmissions in highly diverse environments. Low-power wide area networks (LPWANs) offer a solution by providing various technologies that address application constraints. One such widely adopted technology is LoRa, deployed in LoRa wide area networks (LoRaWANs). This technology, based on chirp spread spectrum modulation (CSS), enables long-range transmission with low throughput, ensuring extended battery life for IoT devices in challenging environments.Furthermore, error-correcting codes play a pivotal role in modern communications by detecting and correcting transmission errors through redundancy in sent messages. For IoT applications, these codes can prevent the retransmission of erroneous messages or reduce transmission power, thereby conserving device battery life. In the context of LoRaWAN, the choice of simple codes such as Hamming codes has been made to ensure a certain performance threshold while maintaining low decoding complexity.In this thesis, we first propose a comprehensive study of LoRa modulation and new modulations based on LoRa proposed in the literature to optimize spectral efficiency. These new modulations include adding information in the phase, employing different types of chirps, or utilizing the quadrature component of the signal. We also investigate error-correcting codes for this type of modulation and for small message length in various environments. We particularly highlight the interest in iterative binary coded schemes using optimized LDPC codes or multi-level coded binary schemes employing polar codes. Finally, we delve into non-binary coded schemes constrained by very high modulation orders and very short codewords, emphasizing the performance-to-cost ratio.