Etude du relayage entre terminaux pour la connectivité des objets dans les réseaux 5G

Opportunity and challenges of Device-to-Device relaying for IoT connectivity in cellular networks

• Auteur / Autrice : Cesar Augusto Vargas Anamuro
• Direction : Xavier Lagrange
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 25/06/2020
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Advanced technologies for operated networks - Département Systèmes Réseaux, Cybersécurité et Droit du numérique - Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Orange (Firme)
• Jury : Président / Présidente : Martin Heusse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Martins Goncalves, Mohamad Assaad, Fabrice Valois, Nadège Varsier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Martins Goncalves, Mohamad Assaad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Consommation d'énergie

Transmission de trame

5G (téléphonie mobile)

Mots clés libres

D2D

Relayage

MMTC

HARQ,

Géométrie stochastique

Efficacité énergétique

D2D

Relaying

MMTC

HARQ

Stochastic geometry

Energy efficiency

Résumé

Les communications massives pour l’Internet des objets sont l'un des principaux services fournis par le réseau mobile de cinquième génération (5G). L’Internet des objets (IoT) représente un défi majeur pour les réseaux cellulaires car il se caractérise par un grand nombre d'objets connectés de faible complexité qui envoient de petits paquets de données. Ces objets connectés sont souvent alimentés par batterie, cette batterie devant fonctionner pendant de longues périodes sans avoir besoin d’être rechargée ou remplacée. Les réseaux cellulaires traditionnels, conçus pour les communications humaines, et pas assez économes en énergie, ne sont pas adaptés à ce type de service. Pour résoudre ce problème, dans cette thèse, nous étudions l'utilisation d’un équipement utilisateur de type smartphone comme relais pour transmettre les données de l’objet connecté à proximité. Ce mécanisme est appelé relayage D2D (Device-to-Device). Notre première étude a consisté à évaluer l'énergie consommée par l’objet connecté dans chaque phase du processus de communication lorsqu’il est localisé en bordure de cellule pour la technologie LTE-M. Ensuite, à l'aide d'un modèle simple, nous avons comparé la consommation d'énergie des modes de transmission cellulaire et D2D, et déterminé la localisation optimale du relais. Grâce à l'utilisation de la géométrie stochastique, nous avons ensuite analysé les performances d’une communication D2D utilisant les mécanismes de répétitions ARQ et CC-HARQ en termes de consommation d'énergie. Enfin, nous avons proposé un mécanisme de relayage D2D adapté aux applications IoT, en termes de complexité d’implémentation et de consommation d’énergie. Ce mécanisme utilise une approche de sélection de relais distribuée, qui priorise la sélection des relais bénéficiant des meilleures qualités de canal.

Massive machine-type communication (mMTC) is one of the main services delivered by the 5G mobile network. mMTC represents a major challenge for 5G network since it is characterized by a large number of low complexity devices thats end small data packets. Moreover, mMTC devices are often battery-powered, and the battery is expected to operate for long periods without being recharged or replaced. Traditional cellular networks, which are designed for human communications, are not energy efficient for this type of service. To address this problem, in this thesis, we study the use of Device-to-Device(D2D) relaying as a complementary transmission. In this approach, the mMTC device can transmit its data using a nearby UE as a relay. First, we calculate the energy consumed in each phase of the communication process for a device located at the cell border that uses LTE-Mtechnology. Then, using a simple model, we compare the energy consumption of cellular and D2D transmission modes, and we determine the optimal relay location. Through the use of stochastic geometry, we analyze the performance of D2D communication with ARQ and CC-HARQ with regard to the transmission success probability, the average number of transmissions, and MTD energy consumption. Finally, we propose an energy-efficient D2D relaying mechanism suitable for mMTC applications thanks to its easy implementation. This mechanism uses a distributed relay selection approach, which prioritizes the selection of the user equipments (UEs) with the best channel qualities. Moreover, we present a tractable model to evaluate the performance of our mechanism.