Mobility in LPWANs - Study of the mobility of IoT Devices in LPWAN Networks using IPv6

par Wael Ayoub

Thèse de doctorat en Télécommunications

Sous la direction de Fabienne Uzel-Nouvel et de Abed Samhat.


  • Résumé

    L'utilisation des technologies de communication pour l'IoT, comme les réseaux faible consommation (LPWAN), est essentielle dans des systèmes comme les chaines d'approvisionnement, les véhicules autonomes, etc. Dans ces systèmes, la mobilité des utilisateurs s’accroit, d’où la nécessité de gérer cette mobilité quand les utilisateurs se déplacent dans des réseaux LPWAN de même technologie ou bien hétérogènes. La gestion de mobilité dans ce contexte fait référence à l'ensemble des mécanismes nécessaires pour assurer un passage entre les réseaux LPWAN avec une continuité du service pour l'utilisateur en mouvement. Cette thèse porte sur la gestion de la mobilité dans les réseaux LPWAN et particulièrement sur la création d'une couche d'interconnexion qui permet d'assurer la mobilité en considérant l’hétérogénéité des technologies de communication. Cette couche permettra à l'application de l'utilisateur d'envoyer/ recevoir des données de manière transparente quelle que soit la technologie de communication utilisée. Premièrement, nous considérons la mobilité et la connectivité dans les trois normes LPWAN: LoRaWAN, DASH7 et NB-IoT. En particulier, nous montrons comment la mobilité des EDs peut être assurée lors de la transmission et de la réception de données au sein d'un même opérateur utilisant la même technologie. Puis, nous considérons la mobilité des EDs lors du passage de la couverture d'un opérateur a celle d'un autre utilisant la même technologie. Un schéma base sur IPv6 est utilisé pour assurer la continuité de la communication après le changement de l’opérateur. Pour limiter l'effet de la longueur de l'entête IPv6, nous étendons le schéma de compression d'en-tête dans un contexte statique (SCHC) pour prendre en charge la continuité de la session et le nouveau schéma est appelé compression d'en tête dans un contexte dynamique (DCHC). Le mécanisme propose est testé dans la technologie LoRaWAN, évalué et compare aux solutions existantes fournies par la norme LoRaWAN v1.1. Enfin, nous étudions la mobilité des EDs entre les différentes technologies LPWAN. Nous étendons la solution DCHC pour assurer la continuité de la communication après le changement de technologie au niveau de la couche de liaison. La solution proposée réduit le temps nécessaire à la remise des données et optimise le routage des communications. La validation est réalisée par des simulations des transferts entre LoRaWAN et NB-IoT.


  • Résumé

    With the rapid growth of Internet of Things (IoT) technologies, services continue to proliferate within the wireless network market. Consequently, the issue of mobility management in heterogeneous wireless IoT networks begins to gain essential interest from researchers, industry and the market. In this context, mobility without interruptions, known as seamless mobility, is essential for Internet of Mobile Things (IoMT) applications, especially as its use increases in recent years. However, in this domain we have to consider the large number of these connected objects as well as. In fact, the IoT wireless networks offers multiple and heterogeneous technologies access such as LoRaWAN, SigFox, WiFi-Halow, NB-IoT, CAT-M, etc. This extensive set of technologies and networks allows IoT applications to take advantage of different capabilities and coverage functions. The integration of IoT communication technologies such as Low Power Wide Area Networks (LPWAN) is essential in today systems including supply chain, healthcare, autonomous vehicle, etc. In such environments, there is an increase in IoT applications that require EDs (End Devices) mobility within similar or heterogeneous LPWAN technologies. This thesis focuses on mobility management and mainly on the creation of a dynamic framework that abstracts the simplicity of the IoT device and considers heterogeneity in communication technologies. This framework will allow the application to send / receive data transparently regardless of the communication technology used. The proposed framework provides a software layer between the network communication layer (L3) and the MAC / PHY layer (L2). In addition, it improves decision making for the handover within heterogeneous IoT wireless network environments. A method to achieve the continuity of the communication after roaming is the use of an IPv6-based scheme. As LPWAN is characterized by a fixed message rate and very small bandwidth as well as asymmetric communication, an efficient header compression scheme is required. Thus, the static context header compression (SCHC) to compress IPv6 into LPWAN through a rule-based mechanism is used. In this part, we first extend SCHC scheme to support session continuity and the new scheme is called Dynamic Context Header Compression (DCHC). DCHC consists of several contexts, instead of the static context for SCHC and we also improve the use of the memory by dividing the rules into layers.