Étude et amélioration des technologies de communication longue portée pour les réseaux de capteurs sans fil

Study and improvement of long range communication technologies for wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Samira Abboud
• Direction : Alexandre Guitton, Haidar Safa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 12/10/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Nancy El Rachkidy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Haidar Safa, Oana-Teodora Iova
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrzej Duda, Nicolas Montavont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

IoT

LPWAN

LoRa

LoRaWAN

Sélection de Passerelle

Slot

Annulation de Collision

Signaux Synchronises

Internet of Things (IoT)

Low Power Wide Area Networks (LPWAN)

LoRa

LoRaWAN

Gateway Selection

Slot

Collision Cancellation

Synchronized Signals

Résumé

Les progrès des technologies de communication à faible consommation d’énergie et à faible cout ont révolutionne les applications de télédétection et de surveillance. L’Internet des objets (IoT) a promis la création d’un écosystème d’appareils connectes à travers un large éventail d’applications, telles que les villes intelligentes. A l’heure actuelle, de nombreuses normes et technologies concurrentes tentent de saisir l’IoT, en particulier dans le domaine des technologies de télédétection et de communication. LoRa (Long Range) est l’une de ces technologies qui gagne en popularité et en attraction dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN). La possibilité d’établir des communications longue distance avec des nœuds relativement simples, une infrastructure minimale, des besoins en énergie réduits et l’utilisation de bandes ISM sans licence offre un avantage concurrentiel significatif. Bien que la portée de communication dans LoRa puisse dépasser 15 kilomètres en visibilité directe, le débit binaire maximal pouvant être atteint est limite à quelques kilobits par seconde. De plus, lorsqu’une collision se produit dans LoRa, le débit est encore réduit en raison de pertes de trames et de retransmissions. Les travaux de cette thèse traitent le problème des collisions dans LoRa qui peuvent survenir sous une charge importante et qui dégradent les performances du réseau.Premièrement, nous considérons le contexte des communications en liaison montante dans LoRaWAN. Nous étudions le contexte des signaux LoRa en collision synchronisée, ou chaque appareil terminal doit retransmettre toute sa trame en collision après qu’une collision se produit dans LoRa. Ce comportement diminue le débit global et augmente la consommation d’énergie des terminaux et le délai des trames. Pour cette raison, afin d’atténuer les effets néfastes des collisions, nous avons proposé un algorithme de décodage pour résoudre les signaux LoRa en collision synchronisée, dans un trafic réseau sature et confirme. Nous avons remplacé le modèle de retransmission conventionnel de LoRa en un modèle faisant en sorte que les dispositifs terminaux transmettent des bitmaps au lieu de retransmettre des trames entières pour déterminer les symboles corrects de chaque trame en collision. Notre algorithme a pu améliorer significativement le débit global de la couche LoRaWAN MAC à base de LoRa, et diminuer la consommation d’énergie des émetteurs et le délai des trames.Deuxièmement, nous considérons le contexte des communications en liaison descendante dans LoRaWAN. Nous avons remarqué que la liaison descendante dans LoRa est un goulot d’étranglements. Nous avons donc travaillé sur la sélection de la passerelle par le serveur de réseau et son impact sur le débit, la consommation d’énergie et le délai. Nous avons étudié trois types de déploiement de passerelle et nous avons montre que les performances du système dépendent de ce déploiement. Nous avons montré que l’équilibrage du nombre de terminaux par passerelle (également connu sous le nom de charge) améliore le débit par rapport au choix de la passerelle avec la meilleure qualité de signal. En outre, nous avons montré que la combinaison de la charge et de la qualité du signal n’améliore pas davantage le débit. De plus, nous avons montré que le choix de la passerelle avec la meilleure qualité de signal diminue le délai des trames et la consommation d’énergie des terminaux par rapport au choix de la passerelle avec la charge la plus faible.

The progress in low-energy, low-cost communication technologies have revolutionized remote sensing and monitoring applications. Internet of Things (IoT) has promised an ecosystem of connected devices across a wide range of applications such as in smart cities.Currently, many competing standards and technologies are attempting to seize the IoT, particularly in the area of remote sensing and communication technologies. LoRa (Long Range) is one of those technologies that is gaining popularity and attraction in the Wireless Sensor Networks (WSN) applications. The ability to make long-distance communications with relatively simple nodes, minimal infrastructure, reduced power requirements, and the use of unlicensed ISM bands provides a significant competitive advantage. Although the communication range in LoRa can exceed 15 kilometers in line of sight, the maximum bit rate that can be achieved is limited to few kilobits per second. Additionally, when a collision occurs in LoRa, the throughput is further reduced due to frame losses and retransmissions. The work of this thesis deals with the problem of collisions in LoRa that may occur under heavy load, and which degrade the performance of the network.First, we consider the context for LoRaWAN uplink communications. We study the context of fully synchronized colliding LoRa signals, where each end-device has to retransmit its entire colliding frame after a collision occurs in LoRa. This behavior decreases the overall throughput, and increases the energy consumption of the end-devices, and the delay of the frames. Therefore, in order to mitigate the damaging effects of collisions, we proposed a decoding algorithm to resolve synchronized colliding LoRa signals, in a saturated and confirmed network traffic. We substituted the conventional retransmission model of LoRa by having end-devices transmitting bitmaps instead of retransmitting whole frames to determine the correct symbols of each colliding frame. Our algorithm was able to significantly improve the overall throughput of the LoRaWAN MAC layer based on LoRa, and to decrease the energy consumption of the transmitters and the delay of the frames.Second, we consider the context for LoRaWAN downlink communications. We noticed that the downlink in LoRa is a bottleneck. Hence, we worked on the gateway selection by the network server and its impact on the throughput, the energy consumption and the delay. We studied three types of gateway deployment and we show that the system performance depends on this deployment. We showed that balancing the number of end-devices per gateway (also known as load) improves the throughput compared to choosing the gateway with the highest signal quality. Moreover, we showed that combining load and signal quality does not further improve the throughput. In addition, we showed that choosing the gateway with the highest signal quality decreases the delay and energy consumption compared to choosing the gateway with the lowest load.