Ulysse Coutaud

Cette thèse concerne les réseaux dit "Faible Puissance et Longue Portée" (Low Power Wide Area Networks LPWAN), une nouvelle classe de réseaux sans fils qui visent à fournir une connectivité massive à un faible coût dans le contexte de l'Internet des Objets (Internet of Things IoT). Cette thèse se focalise sur la technologie LoRaWAN, un protocole ouvert, basé sur la modulation LoRa, qui connait un succès important et s'est imposé comme l'un des acteurs majeurs des réseaux LPWAN. 

 

Un réseau LoRaWAN typique est composé d'un nombre massif de noeuds terminaux (i.e. les objets connectés), d'un ensemble de passerelles entre le réseau LoRa et le réseau IP et enfin d'un serveur central.  Les nœuds émettent leurs données via la modulation LoRa avec une méthode d'accès au canal radio de type Aloha non slotée (i.e sans aucune forme de coordination). Les passerelles transmettent au serveur via le réseau IP toutes les données captées sur leur interface du réseau LoRa. Le serveur à la charge de traiter les données reçues. LoRaWAN est un réseau structuré essentiellement pour le sens montant, i.e. des noeuds vers le serveur mais permet également de rares transmissions dans le sens descendant, du serveur vers les nœuds. 

 

Du fait du nombre massif de nœuds, des faibles puissances d'émissions et du mode d'accès au canal basé sur Aloha, des données sont parfois perdues sur le lien LoRa. 

 

Cette thèse propose des solutions pour fiabiliser la communication LoRaWAN, i.e. de délivrer plus de 99% des données applicatives. Le gain de fiabilité doit se faire de manière réaliste vis à vis de la capacité du réseau, i.e. le nombre de nœuds pouvant être servis par le réseau dans une même zone. La conséquence de cette contrainte est double: d'une part le temps d'émission dans le sens montant doit être maintenu le plus bas possible afin de repousser au maximum la congestion du réseau, et d'autre part le nombre de transmissions dans le sens descendant doit être maintenu extrêmement bas du fait de la capacité descendante restreinte. 

 

Pour atteindre l'objectif d'une communication LoRaWAN fiabilisée, cette thèse propose dans un premier temps une étude en profondeur des caractéristiques du lien LoRaWAN, basée sur des mesures expérimentales dans un réseau urbain public. Notre caractérisation du lien LoRaWAN nous amène à conclure que les mécanismes de fiabilité existants à l'heure actuelle dans LoRaWAN sont inadaptés pour fournir un lien hautement fiable. Nous proposons donc des adaptations pour fiabiliser LoRaWAN tout en conservant au mieux la capacité de la technologie en terme de nombre de noeuds sur le réseau. 

 

La thèse propose deux types d'adaptations: 
La première adaptation proposée dans cette thèse consiste à ajouter une sur-couche protocolaire de recouvrement d'erreurs, transparente pour LoRaWAN, basée sur des codes correcteurs d'erreurs appliqués de manières transversales sur le flux de paquets. Cette approche permet de reconstituer l'intégralité des données transmises malgré des pertes de paquets. La thèse propose pour cet aspect récupération d'erreurs, deux algorithmes distincts, l'un basé sur le code correcteur Reed-Solomon, et l'autre basé sur un code correcteur dérivé des codes Low Density Parity Check (LDPC). Cette thèse évalue les performances des deux algorithmes de récupération d'erreurs proposés. 
La seconde adaptation proposée consiste à revoir la distribution des paramètres de transmission des nœuds du réseaux. Elle se base à la fois sur la caractérisation du canal LoRaWAN et sur le constat que la sur-couche de recouvrement d'erreurs proposée permet d'obtenir une haute fiabilité tout en permettant d'être tolérant à un certain seuil de pertes de paquets. Cette thèse propose donc de revoir l'algorithme de LoRaWAN: l'Adaptive Data Rate, qui prend en charge à la volée et de manière dynamique la configuration des paramètres de transmission des nœuds du réseau afin de réduire au minimum requis le temps de transmission des nœuds.