Analyse de la qualité de service et des métriques de durabilité des réseaux hybrides LiFi/Wi-Fi et 5G

Analysis of Quality of Service and Sustainability Metrics in Hybrid LiFi/Wi-Fi and 5G Networks

• Auteur / Autrice : Meriem Ghali
• Direction : Anthony Claude Busson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 16/10/2025
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale InfoMaths (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Cécile Orgerie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Claude Busson, Loutfi Nuaymi, Bertrand Ducourthial, Guillaume Andrieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loutfi Nuaymi, Bertrand Ducourthial

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse d'impact sur l'environnement

Consommation d'énergie

Réseaux locaux sans fil

5G (téléphonie mobile)

Mots clés libres

5G

LiFi

WiFi

Impact environmental

Consommation énergétique

Évaluation des performances

5G

LiFi

Wi-Fi

Environmental impact

Energy Consumption

QoS & Sustainability

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans une démarche de compréhension et de réduction de l'impact énergétique des réseaux sans fil émergents compte tenu de l'augmentation rapide de l'empreinte environnementale du secteur des technologies de l'information et de la communication (TIC), qui représentait 4,4% des émissions de gaz à effet de serre en France en 2022, cette thèse s'inscrit dans une démarche de compréhension et de réduction de l'impact énergétique des réseaux sans fil émergents. Selon l'ADEME, si aucune action n'est entreprise, ces émissions pourraient tripler dans les prochaines années, accompagnées d'une hausse de 80% de la consommation électrique du secteur. Dans ce contexte, nous avons concentré nos travaux sur deux types de réseaux sans fil distincts : les réseaux hybrides LiFi/Wi-Fi et les réseaux cellulaires 5G.La première partie de cette thèse porte sur l'intégration du LiFi dans les réseaux sans fil en intérieur, conduisant à la conception d'architectures hybrides LiFi/Wi-Fi. Le LiFi, technologie de communication sans fil reposant sur le spectre optique, présente un fort potentiel en termes de débit, de sécurité et d'efficacité énergétique, bien que sa portée reste limitée. Pour assurer une couverture réseau continue, il est donc nécessaire de le coupler au Wi-Fi, qui offre une portée plus étendue. Afin de mieux appréhender le comportement de cette technologie, nous avons mené une étude expérimentale visant à évaluer les performances (débit, consommation) d'un système LiFi commercial. Par la suite, nous avons développé des modèles réseau et énergétiques permettant d'analyser les performances des réseaux hybrides dans des scénarios réalistes. Un simulateur Python a été adapté pour intégrer ces paramètres, ce qui a permis d'explorer l'impact de différents déploiements (nombre, type et emplacement des points d'accès) sur les performances globales du réseau. Enfin, nous avons proposé une méthode d'optimisation visant à associer dynamiquement les terminaux aux points d'accès disponibles, de manière à garantir une qualité de service (QoS) tout en minimisant la consommation énergétique.La seconde partie s'intéresse à l'impact environnemental du déploiement des réseaux 5G en France, notamment dans la bande des 3,5 GHz. Bien que la 5G soit plus efficace énergétiquement par bit transmis, sa consommation énergétique totale et son déploiement massif soulèvent des interrogations quant à son empreinte carbone globale, notamment en raison de l'effet rebond et de la densification des infrastructures. Nous avons adopté une approche ascendante, combinant des données géospatiales issues des bases ANFR et INSEE afin de modéliser précisément la répartition des stations de base et des utilisateurs. À partir de ces données, nous avons défini un modèle de trafic réaliste, un modèle réseau basé sur les recommandations du 3GPP et sur la littérature, un modèle énergétique prenant en compte la charge des antennes rattachées aux stations de base, ainsi qu'un modèle carbone distinguant les émissions liées à la fabrication des équipements et celles liées à leur usage. Ces éléments ont été intégrés dans un simulateur que nous avons développé, permettant d'estimer la consommation énergétique et les émissions de CO₂ du réseau 5G en France, dans le but d'identifier les leviers d'optimisation les plus pertinents.

This thesis aims to understand and reduce the energy impact of emerging wireless networks, in response to the growing environmental footprint of the information and communication technology (ICT) sector, which accounts for 4.4% of France's greenhouse gas emissions in 2022. According to ADEME, these emissions could triple in the coming years, alongside an 80% increase in electricity consumption. In this context, the work focuses on two types of wireless networks: hybrid LiFi/Wi-Fi networks and 5G cellular networks.The first part of this thesis explores the integration of LiFi in indoor wireless networks, leading to the design of hybrid LiFi/Wi-Fi architectures. LiFi, a wireless communication technology based on visible light, offers strong potential in terms of throughput, security, and energy efficiency, although its range remains limited. To ensure continuous network coverage, it must therefore be coupled with Wi-Fi, which provides broader coverage. To better understand the behavior of this technology, our study begins with experimental study to assess the performance (throughput, power consumption) of a commercial LiFi product. We then developed network and energy models to analyze the performance of hybrid networks in realistic scenarios. A Python-based simulator was adapted to integrate these parameters, enabling us to explore the impact of different deployment strategies (number, type, and location of access points) on overall network performance. Finally, we proposed an optimization method to dynamically associate devices with available access points in order to ensure Quality of Service (QoS) while minimizing energy consumption.The second part focuses on the environmental impact of 5G network deployment in France, particularly in the 3.5 GHz band. While 5G is more energy efficient per bit transmitted, its overall energy consumption and massive deployment raise concerns about its global carbon footprint, especially due to rebound effects and infrastructure densification. We adopted a bottom-up approach combining geospatial data from ANFR and INSEE to model the spatial distribution of base stations and users. Based on these data, we developed a realistic traffic model, a network model based on 3GPP recommendations and relevant literature, an energy model accounting for the load on antennas connected to base stations, and a carbon model that distinguishes emissions from equipment manufacturing and emissions from network usage. These elements were integrated into a simulator we developed, allowing us to estimate the energy consumption and CO₂ emissions of the 5G network in France, with the aim of identifying the most effective optimization strategies.