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Thesis defense — Takwa Attia — December 15

Wednesday 15 December 2021

Optimization and experimental characterization of Low Power Wide Area Networks

Soutenance prévue le mercredi 15 décembre 2021 à 14h dans l’amphi H de l’Ensimag, 161 Rue des Mathématiques, Domaine universitaire, 38400 Saint Martin d’Hères.

Résumé

Les réseaux étendus à faible consommation d’énergie (LPWAN) connaissent
un élan sans précédent et suscitent un intérêt croissant de la part des
universités et de l’industrie. Ils répondent parfaitement aux besoins d’un
réseau à faible consommation d’énergie et à longue portée, capables
de fournir une connectivité efficace dans une vaste zone pour construire
l’Internet des objets (IoT) à grande échelle.

Cette thèse se concentre sur la technologie LoRa/LoRaWAN, un candidat LPWAN
prometteur, qui offre de nombreux avantages mais présente quelques défis en
termes d’évolutivité et de fiabilité. Pendant cette thèse, nous avons
commencé par considérer l’étude, l’évaluation et la caractérisation de
la qualité du lien radio du réseau LoRaWAN; puis nous avons envisagé de
remédier à une limitation majeure de la technologie, la méthode d’accès, en
proposant une technique pour améliorer la capacité du réseau.

Dans un premier temps, nous explorons l’état actuel du réseau LoRaWAN en
surveillant une passerelle LoRaWAN et en effectuant une analyse approfondie des
différents paramètres utilisés par le traffic ambient.

Dans un second temps, nous évaluons et caractérisons la qualité de
transmission des liens LoRa en mesurant le taux de réception de paquets
(PRR) en fonction de la longueur de la charge utile. Nous avons mené
de multiples expériences sur le réseau The Things Network (TTN). Elles
ne montrent qu’un léger impact de la longueur de la charge utile
sur le PRR.

Dans la troisième partie, nous caractérisons expérimentalement le canal
sans fil en déterminant son comportement global et en examinant de quels
facteurs ce comportement dépend. Pour un émetteur placé à l’intérieur
ou à l’extérieur, nous étudions le
comportement du sous-canal et concluons sur la façon dont il affecte le canal
global agrégé. Enfin, nous explorons la variabilité temporelle du canal pour
différentes passerelles et caractérisons les differents comportement possibles.
Enfin, nous abordons l’un des principaux facteurs limitant des réseaux
LoRaWAN, la méthode d’accès de type Aloha. Nous étudions comment la
technologie Message In Message (MIM) pour LoRaWAN améliore la capacité du
réseau en développant un modèle analytique et une simulation détaillés
dans NS-3. Alors que LoRaWAN avec effet de capture ne permet d’utiliser que
23% de la capacité du canal, nous montrons que l’intégration de MIM permet
d’augmenter ce taux d’utilisation jusqu’à 35% dans un scénario de cellule
LoRaWAN unique.

Abstract

LPWAN are getting increased interest from academia and industry. They utterly
address the IoT needs for low power and long-range networks, providing efficient
connectivity over wide areas and enabling innovative applications.

This thesis focuses on the LoRa/LoRaWAN technology, a promising LPWAN
candidate, which offers many advantages but presents some challenges in terms of scalability and reliability.

In the first part of this thesis, we study, evaluate, and characterize the LoRaWAN network link quality;
then, we consider one of the major limitations of the technology, namely the channel
access, by proposing a technique to improve the capacity of the network.

In the first contribution, we explore the actual LoRaWAN network state by monitoring
all traffic on a LoRaWAN gateway and, subsequently, conducting a thorough analysis
of the current practice for setting the different parameters by the ambient traffic.

In the second contribution, we evaluate and characterize the transmission quality
of LoRa links by measuring the Packet Reception Rate (PRR) as a function of the payload length.
We conducted extensive experiments on a test-bed in The Things Network (TTN)
and investigated the resulting analysis, which shows only a slight impact on the payload length on PRR.

In the third contribution, we characterize the wireless channel experimentally,
determine its behavior, and examine what factors depend on it.
For both an indoor and outdoor sender, we have identified different patterns,
considering the time variability of the channel at different gateways.

Finally, we address one of the major limiting factors in LoRaWAN networks, the Aloha-like
access method.
We study how the Message In Message (MIM) technique for LoRaWAN would have the potential to improve the network capacity.
We show that while LoRaWAN with capture effect only allows reaching 23% of the
channel utilization, MIM enables us to increase this utilization rate up to 35% in a single LoRaWAN cell scenario.


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