Performances des réseaux NB-IoT terrestres et satellites

Performance of terrestrial and satellite NB-IoT networks

• Auteur / Autrice : Romain Barbau
• Direction : André-Luc Beylot, Gentian Jakllari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et télécommunication
• Date : Soutenance le 22/02/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Vèque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André-Luc Beylot, Gentian Jakllari, Véronique Vèque, Fabrice Valois, Thomas Noël, Vincent Deslandes, Franck Rousseau, Rejane Dalce
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Valois, Thomas Noël

Mots clés

Mots clés contrôlés

Files d'attente, Théorie des

Réseaux d'ordinateurs

Internet des objets

Mots clés libres

NB-IoT

IoT

Réseaux

Performance

Satellite

Espace

Ipwan

NB-IoT

IoT

Networks

Performance

Satellite

Space

Ipwan

Résumé

Le paradigme de l’Internet des Objets – Internet of Things (IoT) – permet à des capteurs de transmettre directement leurs données au travers des réseaux de communication. Ces communications viennent s’ajouter aux communications traditionnelles du monde des réseaux mobiles et sans fil mais avec quelques spécificités : le nombre d’équipements connectés est colossal (plusieurs dizaines de milliards d’ores et déjà), le volume de données envoyé par terminal est le plus souvent très faible, les équipements sont peu puissants et ont des contraintes en énergie particulièrement fortes. Plusieurs technologies candidates ont vu le jour parmi lesquelles celles des réseaux à faible puissance et à longue portée (LPWAN). Dans cette famille, nous nous sommes plus particulièrement focalisés sur le NarrowBand IoT (NB-IoT) issu des standards 3GPP. Nous nous sommes attachés à en analyser les performances à la fois dans le cadre de communications terrestres mais aussi dans un contexte satellitaire. Nous nous sommes focalisés sur deux critères de performance clefs de ces réseaux : la capacité en termes de terminaux par km2 et la durée de vie des terminaux sur batterie. Nous avons développé des modèles analytiques de l’utilisation des ressources temps/fréquence en se fondant sur la théorie des files d’attente. Ils ont été étendus pour analyser consommation énergétique des communications NBIoT. Nous avons ainsi pu évaluer la capacité et la durée de vie des terminaux dans le cadre de cellules terrestres et de cellules satellite. Pour le cas satellite, nous détaillons les adaptations nécessaires au bon fonctionnement du protocole et leur impact sur les performances des réseaux NB-IoT. Nos travaux de recherche ont montré qu’une partie des attentes vis-à-vis du NB-IoT pouvait être remplie pour les futurs réseaux 5G et ont mis en lumière des axes d’améliorations (avec des propositions de solution).

The Internet of Things (IoT) paradigm allows sensors to transmit their data directly through communication networks. These communications are in addition to the traditional communications of the mobile and wireless network world, but with a few specific features : the number of connected devices is colossal (several tens of billions already), the volume of data sent per terminal is usually very low, and the devices are not very powerful and have particularly strong energy constraints. Several candidate technologies have emerged, including low-power, longrange networks (LPWAN). Within this family, we have focused more particularly on NarrowBand IoT (NB-IoT), which is based on 3GPP standards. We have analysed its performance both in the context of terrestrial communications and in a satellite context. We focused on two key performance criteria of these networks : the capacity in terms of terminals per km2 and the battery life of terminals. We have developed analytical models of time/frequency resource utilisation based on queuing theory. These were extended to analyse energy consumption of NB-IoT communications. This allowed us to evaluate the capacity and lifetime of terminals in the context of terrestrial and satellite cells. For the satellite case, we detail the adaptations required for the protocol to work properly and their impact on the performance of NB-IoT networks. Our research has shown that some of the expectations of NB-IoT can be fulfilled for future 5G networks and has highlighted areas for improvement (with proposed solutions). This thesis introduces a novel framework which can form the basis of future work on the performance evaluation of NB-IoT networks.