Réseaux sans-fil agiles utilisant plusieurs couches physique

Agile Multi-PHY Wireless Networking

• Auteur / Autrice : Mina Rady Abdelshahid Mouawad
• Direction : Thomas Watteyne, Paul Mühlethaler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes et réseaux
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Centre de recherche de Paris (Paris) (2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Mitton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Théoleyre, Oana-Teodora Iova, Georgios Papadopoulos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Vilajosana Guillén, Bernard Tourancheau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence

Internet des objets

Interconnexion de réseaux (télécommunications)

Innovation

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Réseaux agiles

Objets connectés

6tisch

IoT

IoT industriel

RPL

Agile networking

IoT

6tisch

Résumé

Cette thèse contribue au domaine émergent des réseaux sans-fil agiles utilisant plusieurs couches physiques. Traditionnellement, les réseaux sans-fil industriels n'emploient qu'une seule interface radio, à l'instar des implémentations de la pile protocolaire réseau IETF 6TiSCH qui s'appuient sur la radio IEEE 802.15.4 O-QPSK opérant dans la bande de fréquence à 2,4 GHz. Des progrès dans l'intégration de plusieurs schémas de modulation/codage au sein d'un même circuit radio et capable d'opérer dans différentes bandes de fréquence permettent aujourd'hui l'exploitation au sein d'un même réseau d'une diversité de configurations radios. Nous utilisons le terme ''PHY'' pour désigner toute combinaison de : modulation, bande de fréquence et schéma de codage. Dans cette recherche, nous soutenons que la combinaison de PHY longue portée et courte portée peut offrir des performances de bout en bout de réseau équilibrées qu'aucun PHY unique n'atteint. Nous démontrons comment un ensemble de PHY courte et longue portée peut être intégré sous une architecture 6TiSCH généralisée (''g6TiSCH'') et nous évaluons expérimentalement ses performances dans un banc d'essai de 36 nœuds à Inria-Paris. De plus, nous montrons, expérimentalement, comment un slotframe TSCH peut adapter la durée du slot, slot par slot, en fonction du débit du PHY utilisé (''6DYN''). Enfin, nous concevons et évaluons, par simulation, une fonction d'objectif pour RPL qui optimise la durée de vie du réseau (''Life-OF''). Nous démontrons comment Life-OF combine divers PHYs pour augmenter la durée de vie du réseau de jusqu'à 470% par rapport à la fonction d'objectif MRHOF du staandard IETF actuel.

This thesis contributes to the emerging field of agile multi-PHY wireless networking. Industrial wireless networks have relied on a single physical layer for their operation. One example is the standardized IETF 6TiSCH protocol stack for industrial wireless networking, which uses IEEE~802.15.4 O-QPSK radio in the 2.4~GHz band as its physical layer. Advances in radio chip manufacturing have resulted in chips that support a diverse set of long range and short range PHYs. We use the term ''PHY'' to refer to any combination of: modulation, frequency band, and coding scheme. In this research, we argue that combining long-range and short-range PHYs can offer balanced network end-to-end performance that no single PHY achieves. We demonstrate how a set of short-range and long-range PHYs can be integrated under one generalized 6TiSCH (''g6TiSCH'') architecture and we evaluate its performance experimentally in a testbed of 36~motes at Inria-Paris. We further demonstrate, experimentally, how a TSCH slotframe can adapt the slot duration on a slot-by-slot basis, as a function of the bitrate of the used PHY (''6DYN''). Finally, we design and evaluate, through simulation, an objective function for RPL that optimizes for network lifetime (''Life-OF''). We demonstrate how Life-OF combines diverse PHYs to boost network lifetime to be up to 470% compared to the IETF standard MRHOF.