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

Résumé

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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