Augmentation du débit LoRaWAN à partir des caractéristiques physiques des trames LoRa

1/ Description du projet de thèse :

1.1/ Contexte :

Les réseaux sans fil à longue portée et à basse consommation énergétique (LPWAN) permettent à des équipements fonctionnant sur piles de communiquer sur de très grandes distances, typiquement autour de la dizaine de kilomètres en extérieur. Ces réseaux ont de nombreuses applications, notamment en surveillance environnementale (surveillance de forêts, de cours d’eaux, de faune de basse montagne, etc.).

LoRaWAN est un standard ouvert de réseau LPWAN, qui s’appuie sur les deux modulations LoRa et LR-FHSS. Ces deux modulations sont très complémentaires :

• La modulation LoRa, très répandue actuellement, est focalisée sur la portée : un petit équipement (de la taille d’une carte bancaire) déployé sur le Puyde-Dôme peut communiquer avec l’une des deux stations de base universitaires se trouvant sur le Campus des Cézeaux.
• La modulation LRFHSS, très récente, est focalisée sur le passage à l’échelle : le même petit équipement peut communiquer avec un satellite en basse orbite, ce qui est utile dans des zones isolées (ex : vallées, gorges, forêts, mais aussi océans et déserts).

LoRaWAN est le standard le plus utilisé dans les réseaux LPWAN. Toutefois, LoRaWAN a un débit très faible. Il est donc crucial de développer des techniques permettant d’améliorer le débit de LoRaWAN.

1.2/ Objectif de la thèse :

L’objectif de cette thèse est de profiter des caractéristiques physiques des trames LoRa et LR-FHSS pour augmenter le débit LoRaWAN.

• Une piste prometteuse est de réussir à identifier les nœuds LoRa grâce aux caractéristiques des émetteurs, ce qui permet de retirer l’identifiant du nœud de l’entête des trames, et ainsi d’économiser quelques octets. Cette piste a aussi l’avantage d’augmenter la sécurité des communications.
• Une autre piste prometteuse est d’améliorer les techniques actuelles de décodage de trames en collision, en utilisant des informations venant de plusieurs passerelles (plutôt qu’en le faisant sur chaque passerelle indépendemment).

Les concepts proposés seront étudiés et mis en œuvre sur des radios logicielles hautement configurables, en utilisant la puissance de serveurs de calcul.

2/ Description de l’adossement à un équipement CPER :

Ce projet est adossé à deux plateformes du projet CPER MODE : la plateforme « monitoring temps réel » et la plateforme « IoT – supervision réseau par radios logicielles ».

2.1/ Adossement à la plateforme « IOT – supervision réseau par radios logicielles » :

Une radio logicielle permet donc d’implémenter une grande variété de protocoles réseaux avec un unique matériel, ou de faire des modifications sur des protocoles existants.

Les radios logicielles du projet CPER MODE seront utilisées dans le cadre de cette thèse de plusieurs manières :

• pour émuler des émetteurs LRFHSS (encore assez peu disponibles dans le commerce) ;
• pour implémenter un receveur LRFHSS ;
• pour observer les propriétés de trames LoRa et LRFHSS.

2.2/ Adossement à la plateforme « monitoring temps réel » :

Pour décoder des signaux sans fil, les radios logicielles effectuent des échantillonages du canal à très haute fréquence (jusqu’à 56 MHz). Les signaux capturés subissent ensuite de nombreux traitements pour être transformés en messages interprétables. Nous comptons nous appuyer sur les ressources de calcul du projet CPER MODE de plusieurs manières :

• pour stocker des captures de plusieurs minutes de signaux (ce qui prend plusieurs gigaoctets de mémoire) ;
• pour identifier les émetteurs à partir des propriétés physiques des signaux envoyés, probablement avec des techniques d’apprentissage automatique ;
• pour décoder des signaux LRFHSS dont l’entête serait perdu (la complexité étant de retrouver le saut de fréquence) ;
• pour exécuter des algorithmes collaboratifs de détection de trames en collision.

Le Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes (LIMOS) est une Unité Mixte de Recherche (UMR 6158) en informatique, et plus généralement en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (STIC).

Le LIMOS est principalement rattaché à l'Institut des Sciences de l'Information et de leurs Interactions (INS2I) du CNRS et de façon secondaire à l'Institut des Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (INSIS). Il a pour tutelles académiques l'Université Clermont Auvergne et l'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne (EMSE), et comme établissement partenaire l'école d'ingénieur SIGMA. Le LIMOS est membre des labex IMOBS3 et ClercVolc et de la fédération de recherche en Environnement FR 3467 (qui regroupe 17 laboratoires UCA et INRA du site de Clermont-Ferrand). Il est membre associé de la fédération MODMAD (MODélisation Mathématique et Aide à la Décision, FED 4169) portée par l'Université Jean Monnet de Saint-Etienne.

Le positionnement scientifique du LIMOS est centré autour de l'Informatique, la Modélisation et l'Optimisation des Systèmes Organisationnels et Vivants. Les principaux thèmes de recherche développés au sein du laboratoire sont :

Optimisation Combinatoire

Algorithmique, Graphes, Complexité

Méta-Modélisation

Données, Services, Intelligence

Réseaux de capteurs

Production de biens

Conception et Planification de services

Titulaire d'une M2 recherche en Informatique - réseaux ou d'un diplôme d'ingénieur en informatique.

Les pré-requis :

 - bon niveau d'anglais ;

- bonnes connaissances en système embarqué

 - très bonnes compétences de programmation (une connaissance Réseau est un plus)

   * compétence obligatoire : programmation en C ;

   * compétence optionnelle : programmation embarquée, radio logicielle.