Codage canal pour améliorer l'efficacité des LPWAN LoRa

par Ulysse Coutaud

Projet de thèse en Informatique

Sous la direction de Bernard Tourancheau et de Martin Heusse.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Grenoble (laboratoire) et de DRAKKAR - Réseaux et Multimédia (ancien LSR) (equipe de recherche) depuis le 03-10-2017 .


  • Résumé

    Les réseaux LPWAN pour l'internet des objets explosent, une de ces technologies est LoRa. Actuellement, pour diminuer le PER et augmenter la QoS, suivant le SLA négocié, les opérateurs télécom utilisent la technologie LPWAN LoRa. Celle-ci propose un mécanisme de redondance par ré-émission des paquets sur des canaux différents de même Spreading Factor (SF). Si cela n'est pas suffisant, pour améliorer la QoS, un changement de SF est possible avec de nouveau des ré-émissions. De plus la longue portée LPWAN entraine bien souvent une reception sur de multiples antennes de stations de base. Ce phénomène appelé « macro-diversité » peut être utilisé par les serveurs de back-end pour améliorer la QoS et éliminer les doublons. Nous proposons d'explorer l'utilisation du codage canal pour améliorer la QoS dans ces systèmes LPWAN. L'idée est de permettre la récupération de l'ensemble des paquets de données sources au travers de l'émission de paquets codés possédants des propriétés adéquates pour éviter la surcharge des retransmissions. Par exemple, un octet avec un bit de parité peut toujours être reconstitué par la suite si un seul bit est perdu. Un modèle des systèmes LPWAN LoRa sera établi pour pouvoir caractériser les gains apportés par les solutions proposées. Notamment les métriques d'optimisation actuelles sont principalement basées sur le « Packet Error Rate » (PER), le taux d'utilisation du canal, car la capacité est limité, et le coût en énergie sur la mote, car elles sont le plus souvent autonome sur batterie. Ce modèle tiendra compte du coût des SF et de la transmission physique, notamment les préambules. La technologie LoRa est basée sur l'étalement de spectre, et de ce fait les messages sont réceptionnés en tout ou rien, on ne peut pas avoir un message dégradé. Cependant, une exploitation de la diversité peut peut-être envisagée. L'étudiant devra effectuer une large bibliographie des recherches sur le domaine, notamment les « erasure code » dont les « fountain code », les travaux réalisés pour les transmissions satellite et la transmission de vidéo-streaming avec FEC. Il proposera ensuite un système avec codage, améliorant le fonctionnement actuel basé uniquement sur la ré-émission. Ses travaux devraient déboucher sur une analyse de la solution proposée, avec une argumentation des propositions puis une validation au travers du modèle. Des expérimentations seront alors possibles si le temps le permet sur notre plateforme LoRa. Une poursuite en thèse est envisageable.

  • Titre traduit

    Channel coding for improving LoRa LPWAN efficiency


  • Résumé

    The IoT LPWAN networks are booming, one instance is the LoRa technology. In order to diminish its PER and increase its QoS, the telco companies that negotiate SLAs often use the LoRaWAN network stack. This stack implements a redundancy strategy which consists in re-emission of packets on different channels with the same SF. If this is not enough to reach the negotiated QoS, a larger SF can be chosen, with possible re-emissions. Moreover, the large LPWAN coverage of LoRa often results in multiple receptions on different base stations. This is called macro-diversity and it is managed by back-end servers in order to provide QoS and suppress similar packets. The student will explore channel coding in order to improve QoS in LPWAN systems. The idea is to allow for a better overall PER by the transmission of coded packets with redundancy properties without re-transmission overloads. For instance like a byte with a parity bit transmission: any 8 bits in reception allows to reconstruct the source data. A LPWAN system model will be designed in order to quantify costs and gains from different solutions. The objective function will cover PER, channel utilisation, mote energy costs. The model will take into account the SF cost, preamble costs, … The UWB LoRa spreading technology results in on/off reception of packets, however, diversity might be of some help for QoS in coding solutions. The student will start by a large bibliography covering erasure codes and especially fountain codes, satellite transmissions, video-streaming with FEC source coding, … He will propose a coding system that improves today's solutions. The analysis will be argument and validated on the model. If the schedule allows it, some demonstration experiments will be conducted on our local LoRa platform.