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Thesis defense — Ulysse Coutaud — December 7

Tuesday 7 December 2021

Reliability and capacity of low power and long range networks

Soutenance prévue le mardi 7 décembre 2021 à 10h dans l’amphithéâtre de la Maison Jean Kuntzmann, 110 Rue de la Chimie, Domaine universitaire, 38400 Saint Martin d’Hères.

Résumé

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.

Abstract

This thesis focuses on Low Power Wide Area Networks (LPWAN), a new class of wireless networks which aim to provide massive connectivity at a low cost in the context of the Internet of Things (IoT). This thesis focuses more particularly on the LoRaWAN technology, which is an open protocol based on the LoRa proprietary modulation. LoRaWAN knows a significant success and is now established as one of the major players in LPWAN networks.

A typical LoRaWAN network is composed of a massive number of end devices (ED), i.e. connected objects, a set of gateways (GW) acting as bridges between the LoRa network and the Internet Protocol (IP) network and finally a network server (NS). EDs transmit their data via LoRa modulation with an random channel access method (unslotted Aloha-like), i.e. without any form of coordination. The GWs transmit to the NS via the IP network all the data captured on their LoRa interface. The NS is responsible for processing the received data. LoRaWAN is an uplink oriented network, meaning that the overwhelming majority of the traffic is expected to be from the EDs to the NS. However, LoRaWAN also allows rare downlink transmissions, from the NS to the EDs.

Due to the massive number of EDs, the low transmission powers and the random channel access method, data is sometimes lost by the LoRa link.

This thesis proposes solutions to make LoRaWAN communication more reliable, i.e. to deliver more than 99% of the application data. The reliability gain must be achieved in a realistic manner with respect to the capacity of the network, i.e. the number of EDs that can be served by the network in the same area. The consequence of this constraint is twofold: on the one hand the Time On Air (TOA) for the uplink transmissions must be kept as low as possible in order to avoid network congestion as much as possible, and on the other hand the TOA for downlink transmissions must be kept extremely low due to the limited downstream capability of LoRaWAN.

With the goal of a reliable LoRaWAN communication, this thesis firstly proposes an in-depth study of the characteristics of the LoRaWAN link, based on experimental measurements in a public urban network. Our characterization of the LoRaWAN link leads us to conclude that the reliability mechanisms currently existing in the LoRaWAN protocol are unfit to provide a highly reliable link. We therefore propose adaptations to make the LoRaWAN protocol reliable while conserving the technology scalability.

The thesis proposes two types of adaptations:
The first adaptation consists in adding an error recovery protocol overlay, transparent for LoRaWAN, based on error correcting codes applied transversely to the packet flow. This approach makes it possible to reconstitute all of the data transmitted despite packet losses. The thesis proposes two distinct algorithms for this error recovery aspect, one based on the Reed-Solomon correcting code, and the other based on a correcting code derived from Low Density Parity Check (LDPC) codes. This thesis evaluates the performance of the two proposed error recovery algorithms.
The second proposed adaptation consists in reviewing the distribution of the transmission parameters of the EDs in the network. It is based both on the characterization of the LoRaWAN channel and on the observation that the proposed error recovery overlay makes it possible to obtain high reliability while making it possible to be tolerant to a certain threshold of packet loss. This thesis therefore proposes to review the LoRaWAN’s Adaptive Data Rate (ADR) algorithm. The ADR is an algorithm which supports over-the-air and dynamic configuration of the EDs transmission parameters. We propose in this thesis, to optimize the ADR in order to reduce the TOA of the EDs to the minimum required.


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