Réduction de la latence dans les réseaux cellulaires à bande étroite : applications à l'IdO et au V2X

Latency reduction in narrowband cellular networks : applications to IoT and V2X

• Auteur / Autrice : Zubair Amjad
• Direction : Benoit Hilt, Jean-Philippe Lauffenburger, Axel Sikora
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 26/05/2020
• Etablissement(s) : Mulhouse en cotutelle avec Institut für verlässliche Embedded Systems und Kommunikationselektronik. Hochschule für Technik, Wirtschaft und Medien Offenburg (Offenbourg, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique, Mathématiques, Automatique et Signal (Mulhouse) - Institut de Recherche en Informatique Mathématiques Automatique Signal - IRIMAS - UR 7499 / IRIMAS

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet mobile

Internet des objets

Conception centrée sur l'utilisateur

LTE (norme)

5G (téléphonie mobile)

Mots clés libres

5g

Communication de type machine

URLLC (Communication ultra fiable à faible latence)

LTE (Évolution à long terme)

TTI (Intervalle de transmission)

Programmation LTE

SPS (Programmation semi-persistante)

5g

Machine type communication

URLLC (Ultra reliable low latency communication)

LTE (Long term evolution)

TTI (Transmission time interval)

LTE scheduling

SPS (Semi-persistent scheduling)

Résumé

L’évolution des réseaux cellulaires de la première génération (1G) à la quatrième génération (4G) a été dictée par la demande de capacité de liaison descendante centrée sur l’utilisateur, également appelée techniquement large bande mobile"(MBB – Mobile Broadband). Avec sa cinquième génération (5G), la communication de type machine (MTC – Machine Type Communication) a été ajoutée dans les cas d’utilisation cibles et la prochaine génération de réseaux cellulaires devrait les prendre en charge. Mais cette dernière prise en charge nécessite des améliorations des technologies existantes en termes de latence, de fiabilité, d’efficacité énergétique, de débit de données, d’extensibilité et de capacité.À l’origine, le MTC a été conçu pour des applications à faible bande passante et à forte latence, telles que la détection environnementale, la poubelle intelligente, etc. Aujourd’hui, la demande s’est accrue pour les applications nécessitant une faible latence. Parmi les autres défis bien connus des réseaux cellulaires récents, tels que l’efficacité énergétique du débit de données, la fiabilité, etc., la latence n’est pas non plus adaptée aux applications critiques telles que le contrôle en temps réel des machines, la conduite autonome, l’Internet tactile, etc. Par conséquent, dans les réseaux cellulaires actuellement déployés, il est nécessaire de réduire la latence et d’augmenter la fiabilité offerte par les réseaux pour prendre en charge des cas d’utilisation tels que la conduite autonome coopérative ou l’automatisation industrielle, qui sont regroupés sous la dénomination de communication ultra fiable à faible latence (URLLC – Ultra Reliable Low Latency Communication). Cette thèse porte principalement sur la latence dans le réseau d’accès radio terrestre universel (UTRAN – Universal Terrestrial Radio Access Network) des réseaux cellulaires. L’ensemble du travail est divisé en cinq parties. La première partie présente l’état de l’art pour les réseaux cellulaires. La deuxième partie contient un aperçu détaillé des cas d’utilisation des URLLC et des exigences que doivent remplir les réseaux cellulaires pour les prendre en charge. Le travail de cette thèse est réalisé dans le cadre d’un projet de collaboration entre le laboratoire IRIMAS de l’Université de Haute-Alsace, France et l’Institut pour des systèmes embarqués et une électronique de communication fiables (ivESK) de l’Université des sciences appliquées d’Offenburg, Allemagne. Les cas d’utilisation sélectionnés de l’URLLC font partie des intérêts de recherche des deux instituts partenaires. La troisième partie présente une étude et une évaluation détaillées des mécanismes de latence des plans de contrôle et des utilisateurs dans la génération actuelle des réseaux cellulaires. L’évaluation et l’analyse de ces latences, réalisées avec le simulateur ns-3 open-source, ont été menées en explorant un large éventail de paramètres qui comprennent entre autres, des modèles de trafic, des paramètres d’accès aux canaux, des modèles de propagation réalistes, et un large ensemble de paramètres de pile de protocoles de réseaux cellulaires. Ces simulations ont été réalisées avec des appareils à faible puissance, à faible coût et à large portée, communément appelés appareils IoT, et normalisés pour les réseaux cellulaires. Ces dispositifs utilisent les technologies LTE-M ou Narrowband-IoT (NB-IoT) qui sont conçues pour les choses connectées. Ils se distinguent principalement par la largeur de bande fournie et d’autres caractéristiques supplémentaires telles que le schéma de codage, la complexité du dispositif, etc. [...]

The evolution of cellular networks from its first generation (1G) to its fourth generation (4G) was driven by the demand of user-centric downlink capacity also technically called Mobile Broad-Band (MBB). With its fifth generation (5G), Machine Type Communication (MTC) has been added into the target use cases and the upcoming generation of cellular networks is expected to support them. However, such support requires improvements in the existing technologies in terms of latency, reliability, energy efficiency, data rate, scalability, and capacity.Originally, MTC was designed for low-bandwidth high-latency applications such as, environmental sensing, smart dustbin, etc. Nowadays there is an additional demand around applications with low-latency requirements. Among other well-known challenges for recent cellular networks such as data rate energy efficiency, reliability etc., latency is also not suitable for mission-critical applications such as real-time control of machines, autonomous driving, tactile Internet etc. Therefore, in the currently deployed cellular networks, there is a necessity to reduce the latency and increase the reliability offered by the networks to support use cases such as, cooperative autonomous driving or factory automation, that are grouped under the denomination Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC).This thesis is primarily concerned with the latency into the Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) of cellular networks. The overall work is divided into five parts. The first part presents the state of the art for cellular networks. The second part contains a detailed overview of URLLC use cases and the requirements that must be fulfilled by the cellular networks to support them. The work in this thesis is done as part of a collaboration project between IRIMAS lab in Université de Haute-Alsace, France and Institute for Reliable Embedded Systems and Communication Electronics (ivESK) in Offenburg University of Applied Sciences, Germany. The selected use cases of URLLC are part of the research interests of both partner institutes. The third part presents a detailed study and evaluation of user- and control-plane latency mechanisms in current generation of cellular networks. The evaluation and analysis of these latencies, performed with the open-source ns-3 simulator, were conducted by exploring a broad range of parameters that include among others, traffic models, channel access parameters, realistic propagation models, and a broad set of cellular network protocol stack parameters. These simulations were performed with low-power, low-cost, and wide-range devices, commonly called IoT devices, and standardized for cellular networks. These devices use either LTE-M or Narrowband-IoT (NB-IoT) technologies that are designed for connected things. They differ mainly by the provided bandwidth and other additional characteristics such as coding scheme, device complexity, and so on.The fourth part of this thesis shows a study, an implementation, and an evaluation of latency reduction techniques that target the different layers of the currently used Long Term Evolution (LTE) network protocol stack. These techniques based on Transmission Time Interval (TTI) reduction and Semi-Persistent Scheduling (SPS) methods are implemented into the ns-3 simulator and are evaluated through realistic simulations performed for a variety of low-latency use cases focused on industry automation and vehicular networking. For testing the proposed latency reduction techniques in cellular networks, since ns-3 does not support NB-IoT in its current release, an NB-IoT extension for LTE module was developed. This makes it possible to explore deployment limitations and issues. [...]