PhD (m/f): Design and Optimization of LPWAN Networks with Relays

Description du Poste

Sujet De Thèse

Le but de cette thèse est d’optimiser l’utilisation de nœuds relais dans les réseaux LoRaWAN et leur impact sur la capacité du réseau, en prenant soin de définir une bonne modélisation mathématique intégrant :
- les caractéristiques définies dans les spécifications de la LoRa Alliance sur l’utilisation de ces relais,
- les modèles analytiques physiques de propagation et d’interférences de ces réseaux.
Les questions auxquelles le doctorant ou la doctorante s’intéressera concernent :
- Quelle est la capacité maximale atteignable avec un nombre donné de relais ?
- Quel est l’impact de l’ajout des relais dans le réseau sur sa capacité ?
- Quel est le placement optimal des relais ?
- Comment allouer optimalement les ressources conjointes des canaux, SF, puissance et relais ?
Les résultats viseront à évaluer le nombre de relais nécessaires en fonction du nombre d’utilisateurs du réseau, de leurs localisations, et du gain en coût et en énergie de leur déploiement.
Sur le plan méthodologique, la thèse s’appuiera sur des outils de recherche opérationnelle : formulation des problèmes de dimensionnement, de placement des relais et d’allocation des ressources sous forme de programmes linéaires en nombres entiers (MILP), résolution par des techniques de décomposition (relaxations lagrangiennes, décomposition de Benders, génération de colonnes), puis exploration d’approches d’apprentissage par renforcement pour approcher les solutions optimales sur des instances de plus grande taille, en comparaison avec les solutions MILP. Les modèles et algorithmes seront validés par simulation (notamment ns-3) puis expérimentalement sur la plateforme WalT/WalToR/FeniX développée au LIG.

Votre Environnement de Travail

Les réseaux étendus à faible consommation d’énergie (Low Power Wide Area Networks, LPWAN) sont utilisés dans de nombreuses applications de l’Internet des objets (IoT). Le réseau étendu à longue portée (LoRaWAN) est un protocole LPWAN bien connu, offrant une couverture étendue avec une faible consommation d’énergie et un faible débit de données.
LoRaWAN est un protocole de couche de liaison de données développé par la LoRa Alliance pour fournir une connectivité à longue portée avec une faible consommation d’énergie. Ce protocole utilise la couche physique longue portée (LoRa) mise au point par Semtech et basée sur la technique de modulation Chirp Spread Spectrum (CSS).
La topologie par défaut du réseau LoRaWAN est une étoile d’étoiles où les utilisateurs transmettent directement à des passerelles. Le réseau est composé de nœuds terminaux, de passerelles et d’un serveur de réseau LoRaWAN. La passerelle reçoit les paquets des nœuds finaux et les transmet au serveur de réseau. Le serveur de réseau gère le réseau LoRaWAN, y compris la vérification de l’adresse des nœuds terminaux, les accusés de réception, le nombre de trames, etc.
De nombreux travaux ont montré qu’un réseau LoRaWAN peut atteindre une couverture de plusieurs kilomètres dans les zones ouvertes et les environnements ruraux. Toutefois, les performances diminuent dans les zones comportant des obstacles, comme les bâtiments ou les montagnes. Les réseaux denses avec de nombreux utilisateurs dégradent également les performances en raison des interférences et des collisions de paquets [1].
La LoRa Alliance a ainsi récemment proposé des spécifications afin d’introduire des nœuds relais dans les réseaux LoRaWAN [2]. Plusieurs travaux dans la littérature se sont également penchés sur cette évolution [3][4].
Ce sujet s’inscrit dans le projet ANR MORAL, porté par I3S, en collaboration avec le LIG et l’IRIT, qui vise à concevoir des modèles et algorithmes pour un relayage LoRaWAN à la fois performant et économe en énergie, en s’appuyant notamment sur la plateforme expérimentale WalT/WalToR/FeniX du LIG.
1. C. Caillouet, M. Heusse, F. Rousseau, Optimal SF Allocation in LoRaWAN Considering Physical Capture and Imperfect Orthogonality, IEEE Globecom 2019. ↩︎
2. https://resources.lora-alliance.org/technical-specifications/ts011-1-0-1-relay ↩︎
3. E. Lumet, A. Le Floch, R. Kacimi, M. Lihoreau, A.L. Beylot, LoRaWAN relaying: Push the cell boundaries. ACM MSWiM 2021. ↩︎
4. J.R. Cotrim, J.H. Kleinschmidt, An analytical model for multihop LoRaWAN networks. Elsevier Internet of Things, Volume 22, 100807, July 2023. ↩︎

Contraintes et risques

La thèse sera co-encadrée par le LIG (équipe Drakkar, Grenoble) et l’I3S (équipe COATI, Sophia Antipolis), dans le cadre du projet ANR MORAL. Le doctorant ou la doctorante bénéficiera :
- d’un encadrement conjoint et de réunions régulières avec les deux sites,
- de déplacements occasionnels à Grenoble et un accès à distance à la plateforme expérimentale WalT/WalToR du LIG pour les campagnes de mesure à grande échelle,
- d’un environnement de recherche pluridisciplinaire, à l’interface entre réseaux LPWAN et la recherche opérationnelle.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

Référence de l’offre UMR7271-CHRCAI-001 Section(s) CN / Domaine de recherche Sciences informatiques : fondements de l'informatique, calculs, algorithmes, représentations, exploitations

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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