Performances et Gestion de l'itinérance dans les réseaux LoRaWAN

Performance and roaming support in LoRaWAN networks

• Auteur / Autrice : Mohamed Hamnache
• Direction : André-Luc Beylot, Rahim Kacimi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunication
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• 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 : Michel Marot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André-Luc Beylot, Rahim Kacimi, Michel Marot, Cong-Duc Pham, Alexandre Guitton, Christelle Caillouet, Oana-Teodora Iova, Franck Rousseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cong-Duc Pham, Alexandre Guitton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Itinérance (télécommunications)

Systèmes de communication sans fil

Consommation d'énergie

Mots clés libres

LoRaWAN

Allocation de paramètres de transmission

Itinérance

Liaison descendante

Expérimentations

LoRaWAN

Transmission parameters allocation

Roaming

Downlink

Experiments

Résumé

LoRaWAN est l'un des principaux protocoles de communication sans fil déployés pour répondre aux exigences des applications IoT (Internet of Things) nécessitant une communication à longue portée avec une faible consommation d'énergie. On compte actuellement plus d'un milliard de dispositifs IoT utilisés dans le monde et LoRaWAN apparaît comme l'une des solutions les plus prometteuses pour de nombreuses applications. Bien que l'étude de ces réseaux, des mécanismes associés et de leurs performances soit un sujet particulièrement brûlant, certains aspects restent peu explorés, notamment la gestion de la mobilité et de l'itinérance (roaming). De même, de nombreux travaux reposent exclusivement sur des approches de simulation pour leur validation ou manquent d'outils et de bancs de test pour conduire des expérimentations réelles.Dans cette thèse, nous proposons d'apporter des solutions à des problèmes bien connus au sein de la communauté LoRaWAN, notamment l'allocation des paramètres de transmission pour augmenter les performances du réseau. Nous proposons alors L3SFA et L3SFA-TPC pour améliorer le taux de délivrance, la capacité du réseau et la consommation énergétique des terminaux. Par la suite, nous nous sommes concentrés sur des sujets moins explorés. Nous proposons LoRaRoam, le premier système prenant en charge l'itinérance active ou itinérance Handover dans les réseaux LoRaWAN.Face au manque ou à l'absence d'outils de référence, nous nous sommes attachés au développement de solutions et au déploiement de bancs de test pour la validation des solutions proposées et pour l'analyse de leurs performances à large échelle. Nous avons conçu LoRa Roaming Emulator (LDE), le premier émulateur d'itinérance dédié à l'évaluation des réseaux LoRaWAN itinérant. De plus, nous avons proposé LoRaDL, un framework pour prendre en charge les communications sur la liaison descendante (commandes MAC, trames de données) facilitant ainsi la mise en oeuvre des solutions centrées sur les passerelles (gateway-centric) et l'évaluation des performances de la liaison descendante.

LoRaWAN is one of the leading wireless communication protocols deployed to meet the requirements of IoT (Internet of Things) applications requiring long-range communication with low power consumption. Currently, more than one billion IoT devices in use around the world and LoRaWAN is emerging as one of the most promising communication protocols for many applications. Although the study of these networks, the associated mechanisms and their performances is a particularly hot topic, some aspects remain unexplored, in particular the management of mobility and roaming. Similarly, many works rely exclusively on simulation approaches for their validation or lack tools and testbeds to perform real experiments.In this thesis, we propose to provide solutions to well-known problems within the LoRaWAN community, in particular the allocation of transmission parameters to increase network performance. We then propose L3SFA and L3SFA-TPC to improve the Data Extraction Rate (DER), the network capacity, and the terminal energy consumption. Thereafter, we focus on less explored topics. We propose LoRaRoam, the first system supporting Handover Roaming in LoRaWAN networks.Faced with the lack or absence of reference tools, we have focused on developing solutions and deploying testbeds to validate the proposed solutions and analyze their performance on a large scale. We designed \textit{LoRa Roaming Emulator} (LDE), the first roaming emulator dedicated to the evaluation of roaming LoRaWAN networks. In addition, we proposed LoRaDL, a framework to support downlink communications (MAC commands, data frames) facilitating the implementation of gateway-centic solutions and the evaluation of downlink performance.