Latency reduction in narrowband cellular networks : applications to IoT and V2X

Réduction de la latence dans les réseaux cellulaires à bande étroite : applications à l'IdO et au V2X L’évolution des réseaux cellulaires de la première génération (1G) à la quatrième génération (4G) a été dictée par la demande de capacité de liaison descendante centrée sur l’utilisateur, également appelée techniquement large bande mobile"(MBB – Mobile Broadband). Avec sa cinquième génération (5G), la communication de type machine (MTC – Machine Type Communication) a été ajoutée dans les cas d’utilisation cibles et la prochaine génération de réseaux cellulaires devrait les prendre en charge. Mais cette dernière prise en charge nécessite des améliorations des technologies existantes en termes de latence, de fiabilité, d’efficacité énergétique, de débit de données, d’extensibilité et de capacité.À l’origine, le MTC a été conçu pour des applications à faible bande passante et à forte latence, telles que la détection environnementale, la poubelle intelligente, etc. Aujourd’hui, la demande s’est accrue pour les applications nécessitant une faible latence. Parmi les autres défis bien connus des réseaux cellulaires récents, tels que l’efficacité énergétique du débit de données, la fiabilité, etc., la latence n’est pas non plus adaptée aux applications critiques telles que le contrôle en temps réel des machines, la conduite autonome, l’Internet tactile, etc. Par conséquent, dans les réseaux cellulaires actuellement déployés, il est nécessaire de réduire la latence et d’augmenter la fiabilité offerte par les réseaux pour prendre en charge des cas d’utilisation tels que la conduite autonome coopérative ou l’automatisation industrielle, qui sont regroupés sous la dénomination de communication ultra fiable à faible latence (URLLC – Ultra Reliable Low Latency Communication). Cette thèse porte principalement sur la latence dans le réseau d’accès radio terrestre universel (UTRAN – Universal Terrestrial Radio Access Network) des réseaux cellulaires. L’ensemble du travail est divisé en cinq parties. La première partie présente l’état de l’art pour les réseaux cellulaires. La deuxième partie contient un aperçu détaillé des cas d’utilisation des URLLC et des exigences que doivent remplir les réseaux cellulaires pour les prendre en charge. Le travail de cette thèse est réalisé dans le cadre d’un projet de collaboration entre le laboratoire IRIMAS de l’Université de Haute-Alsace, France et l’Institut pour des systèmes embarqués et une électronique de communication fiables (ivESK) de l’Université des sciences appliquées d’Offenburg, Allemagne. Les cas d’utilisation sélectionnés de l’URLLC font partie des intérêts de recherche des deux instituts partenaires. La troisième partie présente une étude et une évaluation détaillées des mécanismes de latence des plans de contrôle et des utilisateurs dans la génération actuelle des réseaux cellulaires. L’évaluation et l’analyse de ces latences, réalisées avec le simulateur ns-3 open-source, ont été menées en explorant un large éventail de paramètres qui comprennent entre autres, des modèles de trafic, des paramètres d’accès aux canaux, des modèles de propagation réalistes, et un large ensemble de paramètres de pile de protocoles de réseaux cellulaires. Ces simulations ont été réalisées avec des appareils à faible puissance, à faible coût et à large portée, communément appelés appareils IoT, et normalisés pour les réseaux cellulaires. Ces dispositifs utilisent les technologies LTE-M ou Narrowband-IoT (NB-IoT) qui sont conçues pour les choses connectées. Ils se distinguent principalement par la largeur de bande fournie et d’autres caractéristiques supplémentaires telles que le schéma de codage, la complexité du dispositif, etc. [...]