Algorithms for reliability insurance and traffic differentiation in low power internet of things communication networks

• Auteur / Autrice : Alessandro Aimi
• Direction : Stefano Secci, Stéphane Rovedakis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 19/09/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études et de recherche en informatique et communications (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Francesca CUOMO
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Secci, Stéphane Rovedakis, Francesca CUOMO, Katia Jaffrès-Runser, Paolo Bellavista, Fabrice Guillemin, Yassine Hadjadj Aoul, Oana-Teodora Iova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Katia Jaffrès-Runser, Paolo Bellavista

Mots clés

Mots clés contrôlés

Qualité de service

Internet des objets

Mots clés libres

Internet des Objets (IdO)

LoRaWAN

Qualité Du Service (QDS)

Transmission fiable des données

Gestion du réseau

Réseau 5G et au-Delà

Internet of Things (IoT)

LoRaWAN

Quality of Service (QoS)

Reliable data delivery

Network management

Beyond 5G networks

Résumé

La présence toujours croissante de l'Internet des Objets (IdO), caractérisée par une pléthore de technologies indépendantes à la périphérie du réseau, appelle à une intégration transparente dans le contexte des transformations au-delà de la 5G. De nouveaux principes et technologies tels que la softwarisation et la virtualisation, le multi-access edge computing et l'intelligence artificielle ouvrent la voie à des paradigmes plus larges de "slicing" du réseau et de gestion "zero-touch". D'une part, le "slicing" du réseau postule la partition des réseaux en tranches horizontales plus ou moins isolées pour l'offre à la demande de services spécifiques avec des accords de niveau de service (SLAs) garantis. D'autre part, la gestion "zero-touch" propose une automatisation complète avec l'introduction de boucles intelligentes pour toutes les opérations de support et de maintenance afin de maintenir les SLAs. Parmi les technologies IdO, les réseaux étendus à longue portée (LoRaWANs) gagnent rapidement en popularité grâce à leur nature bon marché et facile à utiliser. LoRaWAN est une technologie de réseau étendu à faible consommation qui vise la détection et la surveillance à longue distance : les cas d'utilisation se situent généralement dans le domaine de l'agriculture (suivi du bétail, surveillance des propriétés du sol) et des villes intelligentes (gestion des parcs à vélos, surveillance des ordures, surveillance de la qualité de l'air, etc.)L'un des choix de conception de LoRaWAN est l'accès non coordonné au support radio. L'objectif est de réduire au minimum la consommation d'énergie des appareils à activité intermittente en simplifiant la pile de protocoles de communication. Par conséquent, les collisions sont fréquentes dans les déploiements denses et se traduisent par une opération "best effort", une utilisation intrinsèquement inefficace des ressources et un manque de qualité. Une mesure de performance clé pour une application utilisant LoRaWAN est le taux de livraison de paquets (PDR).Dans cette thèse, nous examinons les questions ouvertes concernant l'intégration de LoRaWAN dans un cadre de découpage du réseau et de gestion "zero-touch". LoRaWAN introduit un certain nombre de défis dans le réseau d'accès radio : une action limitée dans le partitionnement des ressources radio, des opportunités de contrôle des appareils peu nombreuses, et aucune spécification d'exigence réaliste pouvant être intégrée dans les SLAs pour permettre le "slicing" du réseau. Dans nos contributions, nous étudions tout d'abord l'introduction de la différenciation de la qualité du trafic basée sur le PDR dans le réseau LoRaWAN, en montrant sa faisabilité et son intérêt potentiel dans des scénarios denses. Sur la base de nos résultats, nous améliorons notre allocation de ressources avec une technique en ligne pour la gestion du PDR qui s'adapte aux changements et qui est beaucoup plus efficace. Enfin, nous capitalisons sur nos vastes efforts de simulation pour produire un outil open-source permettant l'émulation haute fidélité et de bout en bout des services LoRaWAN ultra-denses sur des infrastructures du monde réel.

The ever-growing presence of the Internet of Things (IoT), characterized by a plethora of independent technologies at the network edge, calls for a seamless integration in the context of beyond 5G transformations. Novel principles and technologies such as softwarization and virtualization, multi-access edge computing, and artificial intelligence pave the way for the broader paradigms of network slicing and zero-touch management.On the one hand, network slicing postulates the partition of networks into either partially or fully isolated horizontal slices for on-demand offering of specific services with guaranteed Service Level Agreements (SLAs). On the other hand, zero-touch management proposes achieving full automation with the introduction of smart loops for all support and maintenance operations to maintain SLAs.Among the IoT technologies, Long Range Wide Area Networks (LoRaWANs) are rapidly gaining popularity thanks to their cheap and easy-to-operate nature. LoRaWAN is a low power wide area network technology targeting long range sensing and monitoring. Use cases are typically in the domain of agriculture (cattle tracking, soil properties monitoring) and smart cities (bicycle pool management, garbage monitoring, air quality monitoring, etc.)One of the design choices in LoRaWAN is the uncoordinated access to the radio medium. This aims to minimize the power consumption of intermittently active devices by simplifying the communication protocol stack. Consequently, collisions are frequent in dense deployments, resulting in best effort operation, inherently inefficient utilization of resources and lack of quality. A key performance metric for an application using LoRaWAN is the Packet Delivery Ratio (PDR).In this thesis we consider open issues regarding the integration of LoRaWAN in a network slicing and zero-touch management framework. LoRaWAN introduces several challenges in the radio access network: limited action in partitioning radio resources, sparse device control opportunities, and no realistic requirement specification that can be integrated in SLAs to enable network slicing. In our contributions, we first investigate the introduction of PDR-based traffic quality differentiation in LoRaWAN, showing its feasibility and potential appeal in dense scenarios. Based on our findings, we proceed to improve our resource allocation with an online technique for PDR management which is both adaptive to changes and drastically more efficient. Finally, we capitalize on our extensive simulation efforts to produce an open-source tool to enable high-fidelity, end-to-end emulation of massive-IoT LoRaWAN services on real-world infrastructures.