Trading-off throughput and energy-efficiency in long range wide area networks

Concilier débit et efficacité énergétique dans les réseaux étendus à basse consommation

• Auteur / Autrice : Laurent Chasserat
• Direction : Pascal Berthou, Nicola Accettura
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, Télécoms, Systèmes et Architecture
• Date : Soutenance le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniela Dragomirescu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Berthou, Nicola Accettura, Nathalie Mitton, Fabrice Théoleyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Mitton, Fabrice Théoleyre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Réseaux à grande distance (informatique)

Mots clés libres

Réseaux LoRa

Evolutivité

Optimisation énergétique

IoT

Scalability

LoRa networks

Io

Energy efficiency

Résumé

Les réseaux étendus à basse consommation (LPWAN pour Low-Power Wide-Area Networks) connectent un grand nombre nombres de dispositifs sans fil fonctionnant sur batterie et disséminés sur des zones étendues. Le remplacement des batteries d'alimentation de tels objets connectés étant coûteux et difficile, il devient crucial de maximiser leur espérance de vie. Parmi les technologies de type LPWAN, les réseaux à longue portée (LoRaWAN pour Long Range Wide Area Networks) se sont imposés en tête du marché, offrant un excellent compromis entre portée de couverture, débit, consommation d'énergie et facilité d'implémentation. Cette technologie fait appel à une stratégie d'accès au médium de type pure ALOHA, qui permet d'économiser de l'énergie en minimisant l'utilisation de la radio des terminaux. Cependant, l'utilisation d'une telle stratégie implique un fort taux de collision de paquets qui limite la capacité du réseau à supporter de fortes charges de trafic. Dans ce contexte, la synchronisation est une piste de recherche intéressante permettant de faire un meilleur usage de la bande passante en réduisant les probabilités de collision. En cela, ce manuscrit aborde tout d'abord la conception d'un mécanisme d'accès synchrone adapté aux réseaux LoRa. Ce mécanisme permet la mise en place d'une stratégie de type slotted ALOHA, qui étend la capacité réseau au prix d'une hausse de la consommation d'énergie dédiée au mécanisme de synchronisation. Le premier aboutissement de cette recherche est la découverte que l'accès synchrone peut aussi être plus énergétiquement efficient que pure ALOHA dans les réseaux congestionnés si la réception des balises de synchronisation est gérée intelligemment. Cependant, le protocole de base reste préférable pour les faibles charges de trafic. Cette découverte met en évidence le besoin d'un protocole conscient du trafic capable d'adapter le mode d'accès à la charge réseau. En conséquence, un mécanisme capable de dynamiquement synchroniser et désynchroniser les terminaux est introduit afin de sélectionner le protocole le plus efficient en fonction des conditions de trafic sondées. A travers des simulations, nous montrons qu'un tel système est capable de suivre les variations de la charge réseau et ainsi de maximiser l'efficacité énergétique du déploiement. Nous comblons ensuite le fossé entre simulations et expériences réelles en implémentant un mécanisme de synchronisation efficient sur un banc de tests. La robustesse de notre approche repose sur une analyse expérimentale du décalage d'horloge des terminaux. Les résultats issus du banc de tests révèlent additionnellement que les modèles mathématiques les plus communément utilisés pour décrire le comportement des réseaux ALOHA sont très imprécis dans notre cas de figure, car l'effet capture survient très fréquemment. En guise de dernière contribution, nous proposons donc une approche mathématique incluant les effets observées sur le banc de tests à nos modèles d'évaluation de performances. Cette dernière étape permet (i) d'étendre les capacités d'adaptation du protocole en montrant comment la taille des slots peut être ajustée à la charge réseau pour maximiser l'efficacité énergétique, et (ii) de considérer l'effet capture pour modéliser fidèlement le débit réel du banc de tests. En un mot, cette thèse explore des compromis entre débit et efficacité énergétique dans les réseaux LoRa, et met en évidence le besoin de protocoles conscients de la charge de trafic. Nous montrons additionnellement que les modèles d'évaluation de performances de l'état de l'art ne représentent pas encore parfaitement le comportement des réseaux réels, ce qui ouvre la voie vers de nouvelles pistes de recherche pour améliorer cette modélisation et ainsi piloter de tels protocoles adaptatifs.

Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) connect a large number of battery-powered wireless devices over long distances. Replacing the batteries of low-power devices spread over a large geographical area is difficult and costly, their lifetime should therefore be maximized. Among available LPWAN technologies, Long Range Wide Area Networks (LoRaWAN) have prevailed in the past years, offering an excellent tradeoff between coverage range, data rate, power consumption and ease of use. This technology implements a pure ALOHA medium access scheme to save device energy by minimizing the radio usage. However, using such a simple strategy induces frame collisions that restrain the network's ability to handle high traffic loads. In this context, synchronization can be used to exploit the available bandwidth more efficiently by controlling the timing of frame transmissions and reducing the collision probability. In that, this manuscript first introduces a slotted scheme specifically tailored for LoRa networks. This design allows the implementation of a simple slotted ALOHA strategy, which increases the network capacity at the cost of an extra energy demand due to the inherent overhead. As a first research outcome, we show that the synchronized version can also be more energy efficient than pure ALOHA in congested networks if the power consumption dedicated to synchronization beacon receptions is handled carefully. Yet, the legacy access remains preferable in low traffic situations. This finding highlights the need for traffic-aware protocols able to adapt the access strategy to the network load. As a result, this thesis then introduces a switching mechanism capable of dynamically synchronizing or desynchronizing the network depending on the probed conditions. Through simulations, we show that such a system is able to follow the variations of the input load to always select the most energy-efficient strategy. We then bridge the gap between simulations and experiments with the implementation of an energy-efficient synchronization mechanism on real hardware. The robustness of our approach is proven thanks to an experimental study of the device clock drift. Hardware experiments additionally reveal that common ALOHA models are unable to accurately represent the real-world network performances, notably due to occurrences of the capture effect. As a final contribution, we thus fall back to the mathematical approach and include the features observed in real networks into our performance evaluation models. This ultimate step allows to (i) extend the protocol adaptation capabilities by showing how the slot size can be adjusted to the network load to maximize energy efficiency and (ii) account for capture effect occurrences to faithfully picture the testbed throughput. In a nutshell, this thesis explores trade-offs between throughput and energy efficiency in LoRa networks, and highlights the need for traffic-aware protocols. We additionally show that state-of-the-art performance models do not fully grasp the behavior of real networks yet, which opens future research on more accurate and versatile models to drive such adaptive access strategies.