Géocasting sans fil basé sur la focalisation spatiale de données

Spatial Data Focusing for High-Precision Wireless Geocasting : Theoretical System Design and Practical Proof of Concept

• Auteur / Autrice : Guylian Molineaux
• Direction : Julien Sarrazin, Philippe De Doncker, François Horlin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Date : Soutenance le 30/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université libre de Bruxelles (1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : François Quitin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Darces
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Clavier, Claude Oestges
• DOI : 10.70675/855889b1za3dez4cf8zb8e3z4dbe57798224

Mots clés

Mots clés contrôlés

Routage (informatique)

Données géospatiales

Réseaux ad hoc (informatique)

Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence

Mots clés libres

Geocasting

Focalisation spatiale de données

OFDM

Frequency diverse array

Geocasting

Spatial Data Focusing

OFDM

Frequency Diverse Array

Résumé

Cette thèse étudie la focalisation spatiale de données (FSD) comme moyen d'effectuer la diffusion géolocalisée de données sans fil sur la couche physique, c'est-à-dire la multidiffusion basée sur la position ou la diffusion géographiquement limitée. Cette nouvelle approche peut aider à fournir des services et des messages basés sur la position à de grands groupes d'appareils mobiles qui existent dans les cadres émergents de l'internet des objets pour les villes intelligentes, les industries, les soins de santé, etc. Il permet de résoudre et d'éviter les problèmes de confidentialité qui existent dans les services de géodiffusion classiques, où les utilisateurs sont tenus de révéler leur position. En outre, il surmonte les exigences d'auto-localisation des nœuds et l'équilibre difficile entre la complexité, l'évolutivité et le taux de livraison qui existent dans les algorithmes de routage de géodiffusion de la couche réseau. Plus important encore, elle réussit à augmenter la précision, à réduire la taille du réseau d'antennes et à minimiser la complexité - les conditions les plus cruciales pour faire de la géodiffusion sur la couche physique un système attrayant - par rapport aux approches conventionnelles de focalisation de la puissance basées sur la formation de faisceaux. Dans le cadre du FSD, il remédie en outre à deux lacunes fondamentales. Il s'agit (i) d'une limitation à la focalisation dans le domaine angulaire uniquement ou, de manière équivalente, de l'incapacité de focaliser dans le domaine de la distance et (ii) d'une forte sensibilité à la propagation par trajets multiples qui compromet le fonctionnement correct en dehors des canaux hypothétiques de l'espace libre. Ces problèmes sont résolus par la conception de deux nouvelles architectures FSD qui exploitent les ressources de transmission multifréquence dans un cadre de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM) et de réseaux de fréquences diverses (frequency diverse array, FDA). En outre, une architecture SDF expérimentale a été mise au point pour démontrer sa faisabilité pratique en tant que nouvelle technique de géocasting.

This thesis investigates spatial data focusing (SDF) as a means of performing wireless physical-layer geocasting, i.e. location-based multicasting or geographically-confined broadcasting. This novel approach can aid in providing location-based services and messaging to large groups of mobile devices that exist in emerging internet-of-things frameworks for smart cities, industries, healthcare, etc., providing users with information that is related or contextualized to their geographical location. It addresses and avoids privacy concerns that exist in conventional location-based services, where users are required to disclose their location. In addition, it overcomes node self-localization requirements and the challenging balance between overhead, scalability, and delivery rate that exist in network-layer geocast routing algorithms. Most importantly, it succeeds in increasing precision, reducing array size, and minimizing complexity - the most crucial conditions in making physical-layer geocasting an attractive scheme - compared to conventional beamforming-based power focusing approaches. Within the SDF framework, it additionally addresses two fundamental shortcomings. That is, (i) a limitation to focusing in the angular domain only or, equivalently, the inability for range-domain focusing and (ii) a severe sensitivity to multipath propagation that jeopardizes correct operation outside hypothetical free space channels. They are overcome by designing two novel SDF architectures that exploit multi-frequency transmission resources in an orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) and frequency diverse array (FDA) framework. Additionally, an experimental proof-of-concept SDF architecture is developed that demonstrates its practical achievability as a novel geocasting technique.