IoT omniprésent grâce aux communications spatiales

Ubiquitous IoT through space communications

• Auteur / Autrice : Zheng Zhou
• Direction : Pascal Berthou, Nicola Accettura
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et télécommunications
• Date : Soutenance le 28/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de délivrance conjointe : Université Toulouse 3 Paul Sabatier (1969-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniela Dragomirescu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria Rita Palattella
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Donsez, Cong-Duc Pham

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Satellites artificiels dans les télécommunications

Astronautique -- Systèmes de communication

Mots clés libres

IoT

LPWAN

Satellite

Résumé

Ces dernières années, LPWAN sont devenus une technologie clé pour l'IoT, car ils offrent une solution abordable pour connecter des dispositifs à très faible consommation d'énergie sur de longues distances. Parmi les différentes technologies LP-WAN, NB-IoT est devenu une solution largement privilégiée, en particulier pour les applications nécessitant une large couverture et une communication fiable. Cependant, avec le besoin croissant d'étendre la connectivité IoT aux zones reculées et mal desservies, l'intégration du NB-IoT avec les réseaux satellites, en particulier les satellites LEO, suscite un intérêt croissant. Cette intégration présente des défis uniques en raison de la nature dynamique des communications par satellite, notamment en ce qui concerne la synchronisation et la gestion d'une densité élevée de UEs lors de la procédure d'accès aléatoire, etc. En réponse à ces défis, cette thèse apporte plusieurs contributions clés. Tout d'abord, un cadre complet basé sur des KPIs, tels que la fiabilité, la latence, le débit et l'efficacité énergétique, a été développé pour évaluer et optimiser systématiquement les communications IoT via satellite. Ce cadre offre une approche structurée pour équilibrer les compromis inhérents aux réseaux IoT basés sur les satellites. Ensuite, la thèse introduit une méthode novatrice de synchronisation descendante qui fonctionne sans dépendre du GNSS, réduisant ainsi la consommation d'énergie et améliorant la précision de la synchronisation dans les environnements de LEO. En s'appuyant sur cela, une stratégie de réveil sans GNSS est proposée pour améliorer l'efficacité énergétique, notamment dans les scénarios de couverture satellite intermittente. Cette stratégie permet aux UEs d'économiser de l'énergie en gérant leurs états actifs et en veille, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie sans compromettre la fiabilité des communications. Enfin, la thèse aborde le défi de l'accès aléatoire dans les environnements à haute densité en proposant une méthode de détection précoce pour réduire les collisions lors de la procédure d'accès aléatoire. Cette méthode améliore la capacité du réseau à gérer un grand nombre de UEs, garantissant que davantage de UEs peuvent accéder au réseau avec moins de collisions. Ensemble, ces contributions offrent un ensemble complet de solutions pour surmonter les limitations des stratégies actuelles d'intégration du NB-IoT et des satellites LEO, ouvrant la voie à des réseaux IoT plus efficaces et évolutifs dans des environnements difficiles.

In recent years, Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) have emerged as a critical enabling technology for the Internet of Things (IoT) since they offer a cheap and affordable solution for connecting very low-power devices over long distances. Among various LPWAN technologies, Narrowband IoT (NB-IoT) has become a widely favored solution, particularly for applications requiring wide coverage and reliable communication. However, with the growing need to extend IoT connectivity to remote and underserved areas, there is an increasing interest in integrating NB-IoT with satellite networks, specifically Low Earth Orbit (LEO) satellites. This integration presents unique challenges due to satellite communication's dynamic nature, including issues related to synchronization and the management of a high density of User Equipments (UE) during the random access procedure, etc. In response to these challenges, this thesis makes several key contributions. First, a comprehensive framework based on key performance indicators (KPIs), such as reliability, latency, throughput, and energy efficiency, has been developed to evaluate and optimize IoT communications via satellite systematically. This framework provides a structured approach to balancing the trade-offs inherent in satellite-based IoT networks. Next, the thesis introduces a novel method for downlink synchronization that operates without relying on the Global Navigation Satellite System (GNSS), thereby reducing energy consumption and improving synchronization accuracy in LEO satellite environments. Building on this, a GNSS-free wake-up strategy is proposed to enhance energy efficiency, especially in scenarios with intermittent satellite coverage. This strategy allows UEs to conserve power by managing their active and sleep states, extending battery life without compromising communication reliability. Finally, the thesis addresses the challenge of random access in high-density environments by proposing an early detection method to reduce collisions during the random access procedure. This method improves the network's capacity to handle many UEs, ensuring that more UEs can access the network with fewer collisions. Together, these contributions offer a comprehensive set of solutions to overcome the limitations of current NB-IoT and LEO satellite integration strategies, paving the way for more efficient and scalable IoT networks in challenging environments.