Gestion de la qualité de service (QoS) dans un réseau LoRaWAN avec mobilité - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

QoS management in LoRaWAN network with mobility

Gestion de la qualité de service (QoS) dans un réseau LoRaWAN avec mobilité

Résumé

Among the existing wireless transmission technologies, LPWANs (Low Power Wide AreaNetwork) are attracting more and more attention, particularly due to their long radio rangeand low power consumption. However, aiming to minimise power consumption can sometimescompromise the resilience of data transmission when facing environmental perturbations(interference, obstacles) and the mobility of connected objects. Furthermore, long radio rangealso faces a limitation on the time of occupation of the frequency band by each connectedobject (e.g.duty cyclelimited to 1%).In this thesis, we focus on the LoRa/LoRaWAN technology. Based on its several configu-rable parameters, LoRaWAN can potentially adapt to very heterogeneous IoT environmentsand applications. Its Adaptive Data Rate (ADR) mechanism allows it to converge to anoptimalconfiguration to reduce energy consumption. More recently, applications involvingmobile nodes are also interested in the use of LoRa/LoRaWAN. Nevertheless, we have foundthat current ADR does not adapt well to dynamic networks in the presence of mobile obstaclesor mobile nodes, due to its slow convergence and recourse to frequent retransmissions.The main contribution of this thesis is the improvement of the QoS of LoRaWAN to supportmobility. To achieve this, a new ADR version has been proposed, E-ADR, with a new paradigmbased on the prediction of mobile movements and the definition of the adequate configurationaccording to RSSI thresholds, thus avoiding frequent retransmissions of lost packets in caseof inadequate configuration. The new configuration helps to reduce the convergence time toan optimal configuration, and consequently the over-consumption of energy and the risk ofexceeding theduty cyclelimitation due to a high number of retransmissions. In order toselect appropriate RSSI thresholds, our E-ADR algorithm integrates learning-based mobilityprediction through a Hidden Markov model for unknown trajectories.Facing the risk of exceeding the duty cycle limit, we presented a second contributionon the dynamic distribution of duty cycle quota among nodes in a private LoRa network,allowing to share all duty cycles between under- and over-consumer nodes.Although the variety of LoRa parameters (e.g., Spread Factor SF, frequency channels)allows simultaneous transmissions, dense deployment can still lead to collisions. Our thirdcontribution, therefore, deals with the scheduling of time slots according to the principle ofdynamic TDMA.All these contributions were implemented asE-LoRaWAN, and evaluated on a platformcomposed of the Waspmote SX1272, STM32, and LoPy4 nodes and SX1272 gateways connectedto a local server via Ethernet. The experimental evaluation shows the effectiveness of oursolution in supporting mobility while providing a good compromise between transmissionreliability and energy efficiency.
Parmi les technologies de transmission sans fil existantes, les LPWANs (Low PowerWide Area Network) attirent de plus en plus d’attention, notamment grˆace `a leur longueport ́ee radio et leur faible consommation d’ ́energie. Cependant, chercher `a minimiser laconsommation d’ ́energie peut parfois compromettre la r ́esilience de la transmission desdonn ́ees face `a des perturbations de l’environnement (interf ́erences, obstacles) et de la mobilit ́edes objets connect ́es. Par ailleurs, la longue port ́ee radio aussi impose une limitation du tempsd’occupation de la bande de fr ́equence par chaque noeud (e.g.duty cyclelimit ́e `a 1%).Dans cette th`ese, nous nous int ́eressons `a la technologie LoRa/LoRaWAN. Grˆace `a sesnombreux param`etres configurables, LoRaWAN peut s’adapter potentiellement `a des environne-ments et applications IoT tr`es h ́et ́erog`enes. Son m ́ecanisme de d ́ebit adaptable ADR (AdaptiveData Rate) lui permet de converger vers une configurationoptimalepour ́economiserl’ ́energie. Plus r ́ecemment, des applications impliquant des nœuds mobiles s’int ́eressent aussi`a l’utilisation de LoRa/LoRaWAN. N ́eanmoins, nous avons constat ́e que ADR actuel nes’accommode pas bien `a des r ́eseaux dynamiques en pr ́esence des obstacles mobiles ou nœudsmobiles, ceci `a cause de sa convergence lente et le recours `a de nombreuses retransmissionsqui induisent `a leurs tours une augmentation de la consommation de l’ ́energie.La contribution principale de cette th`ese est l’am ́elioration de la QoS (Qualit ́e de Service)de LoRaWAN pour le support de la mobilit ́e. Pour y parvenir, une nouvelle version ADR a ́et ́e propos ́ee, E-ADR, avec un nouveau paradigme bas ́e sur la pr ́ediction des d ́eplacementsdu mobile et la d ́efinition de la configuration ad ́equate selon les seuils en RSSI (ReceivedSignal Strength Indication), ́evitant ainsi de nombreuses retransmissions de paquets perdus encas de configuration inad ́equate. La nouvelle configuration contribue `a diminuer le temps deconvergence vers une configuration optimale, et par cons ́equent la surconsommation d’ ́energieet le risque du d ́epassement de la limite deduty cycle`a cause des retransmissions. Afinde choisir des seuils RSSI appropri ́es, notre algorithme E-ADR int`egre la pr ́ediction de lamobilit ́e bas ́ee sur l’apprentissage `a travers un mod`ele de Markov cach ́e pour des trajectoiresinconnues.Face au risque du d ́epassement de la limite de duty cycle, nous avons apport ́e dans cetteth`ese une deuxi`eme contribution sur la distribution dynamique de quota en duty cycle parmiles nœuds d’un r ́eseau LoRa priv ́e, permettant de mutualiser ainsi l’ensemble des duty cyclesentre les nœuds sous-consommateurs et sur-consommateurs.Bien que le choix diversifi ́e des param`etres LoRa (e.g., Facteur d’ ́etalement SF, canauxfr ́equentiels) permette des transmissions simultan ́ees, un d ́eploiement dense peut encoreengendrer des collisions. Notre troisi`eme contribution porte donc sur l’ordonnancementdes slots selon le principe du TDMA dynamique. L’ensemble de ces contributions donnantnaissance `a un nouveau protocole ”E-LoRaWAN” est impl ́ement ́e et ́evalu ́e sur une plate-formecompos ́ee des nœuds Waspmote SX1272, STM32, et LoPy4 et des gateways LoRa SX1272 connect ́es `a un r ́eseau via Ethernet. L’ ́evaluation exp ́erimentale montre l’efficacit ́e de notresolution pour supporter de la mobilit ́e tout en fournissant un bon compromis entre la fiabilit ́ede transmission et l’efficacit ́e ́energ ́etique.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03283203 , version 1 (09-07-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03283203 , version 1

Citer

Norhane Benkahla. Gestion de la qualité de service (QoS) dans un réseau LoRaWAN avec mobilité. Réseaux et télécommunications [cs.NI]. Ecole Supérieure des Communications de Tunis, 2021. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03283203⟩
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