Thèse Réseaux maillés hétérogènes utilisant des liens d'accès radio longue portée pour l'Internet des Objets F/H

Description de l'offre

about the role

Votre rôle est d'étudier les ruptures technologiques rendues possibles par la combinaison des architectures réseaux maillés hétérogènes et des radios longue-portée, appliquée à l'Internet des Objets (IoT). Vous évaluerez les bénéfices de ces ruptures dans le contexte d'applications IoT à contrainte de Qualité de Service (délai et/ou latence).

·  Contexte global du sujet de thèse et état de l'art

À l'instar des réseaux cellulaires (NB-IoT, EC-GSM, LTE-m) et des réseaux LPWAN (LoRaWAN, Sigfox), les réseaux pour l'Internet des Objets présentent dans leur grande majorité des topologies en étoile où chaque terminal communique directement avec un élément de l'infrastructure. Des réseaux à topologie maillée existent également mais leur adoption est limitée du fait de la faible portée des radios employées jusqu'à présent, impliquant un déploiement dense d'équipements routeurs/répéteurs sur le terrain.

Les réseaux IoT à topologie en étoile rencontrent des limitations. La contrainte d'une communication directe entre chaque terminal et un élément d'infrastructure implique souvent l'usage de liens de mauvaise qualité (distances importantes, environnements de propagation difficiles). Les débits effectifs sont alors limités et les communications peu fiables. Cette limitation en débit se cumule aux conséquences des grandes cellules : de nombreux terminaux se partagent peu de ressources (problème de capacité), l'existence de nombreux terminaux cachés impose un coût de signalisation élevé (RACH, DL-SCH, UL-SCH…) ou un débit utile limité (accès ALOHA).

Des technologies radio longue portée à débit adaptatif, comme IEEE 802.15.4g ou LoRaWAN, peuvent cependant être employées pour construire des réseaux à topologie maillée. Ce-faisant, la contrainte de densité d'équipements répéteurs est moindre que dans les réseaux cellulaires IoT et la possibilité de relayage permet des débits supérieurs à ceux des réseaux LPWAN.

Dans ce contexte, cette thèse propose d'investiguer l'opportunité qu'offre l'usage de réseaux maillés exploitant ces radios longue portée, en particulier dans une architecture hétérogène.

Elle fait suite aux travaux réalisés dans l'équipe, notamment par Quentin Lampin [1] et Guillaume Gaillard [2]. Par ailleurs, il s'inscrit dans un contexte de standardisation à l'IETF des protocoles de signalisation 6TiSCH [3] et de management d'équipements CoMI [4] pour l'IoT. Les travaux d'allocation centralisée réalisés par la communauté scientifique seront aussi étudiés, par exemple [5].

Veuillez-vous référer à la section 3 « Le plus de l'offre » pour des informations détaillées sur la mission scientifique et les principales activités liées à la thèse.

about you

Vous êtes issu(e) d'une école d'ingénieur ou Master 2 en Réseaux ou Informatique (Bac +5).

·  connaissance des protocoles réseaux (pour l'internet des Objets, de préférence)
·  compétences en développement/implémentation de protocoles sur cible embarquée
·  compétence en modélisation de réseau/protocoles et analyse de performances (chaînes de Markov, analyse statistique)
·  rigueur et curiosité scientifique
·  bonnes qualités rédactionnelles (anglais/français)
·  fonctionnement en équipe
·  bonne communication orale
·  autonomie

Vous avez idéalement effectué un stage ingénieur ou de Master Recherche (Bac+5) dans un domaine similaire au sujet de thèse proposé.

additional information

·  Objectif scientifique - verrous à lever

Le travail mené proposera une architecture hybride reposant sur un réseau maillé utilisant des radios longue-portée/bas-débit (typiquement LoRa) et un back-haul radio longue-portée à débits moyens (typiquement IEEE 802.15.4g). Cette architecture inclura un mécanisme de contrôle et d'allocation des ressources radio. Le doctorant motivera le choix du mécanisme retenu après une étude de l'état de l'art et une modélisation des performances, évaluées en termes de QoS (taux de livraison, délai) et de consommation d'énergie.

Ces résultats seront validés par un travail expérimental qui s'appuiera autant que possible sur les standards proposés à l'IETF. Ils feront l'objet de publications en conférences et journaux internationaux et le doctorant contribuera activement aux groupes de travail IETF concernés.

·  Approche méthodologique-planning

Durant les six premiers mois de la thèse, le doctorant se familiarisera avec les réseaux d'objets communicants contraints en ressources (coût énergétique des transmissions radio, du calcul, limitation physiques diverses). Il étudiera également l'état de l'art en architectures et protocoles pour les réseaux de l'IoT (accès au médium radio, routage et gestion). Pour la fin de sa première année, le doctorant maîtrisera l'état de l'art des réseaux pour l'IoT. Il commencera à étudier la transposition de 6TiSCH à des radios 802.15.4g (mesure de qualité de lien, modulations et débit ajustables). Une publication viendra formaliser ces connaissances.

Durant la deuxième année de thèse, le doctorant modélisera l'allocation de ressources radio conjointement au routage du réseau maillé et tirera de ces travaux des recommandations sur l'architecture retenue. Il étudiera par simulation les compromis possibles entre coût énergétique, coût de signalisation et Qualité de Service. Dans cette première architecture, les noeuds connectés en bas-débit longue-portée seront des noeuds feuilles. Ces travaux feront l'objet d'une publication en conférence internationale.

Durant la troisième année de thèse, le doctorant implémentera l'architecture recommandée sur une plateforme de validation, il vérifiera les performances obtenues et analysera les différences constatées par rapport au modèle théorique. Ces travaux feront l'objet d'un article scientifique en conférence internationale. Le doctorant explorera la possibilité que les noeuds connectés en bas-débit longue-portée participent au maillage (noeud de transit). La troisième année sera également consacrée à la rédaction du manuscrit et à la soumission d'une publication de synthèse en revue scientifique.

department

L'équipe Orange Labs qui accueille cette thèse est spécialisée dans les réseaux pour l'Internet des Objets. Elle mène des travaux théoriques et appliqués, dans le domaine des transmissions radio et des protocoles. Trois autres thèses se déroulent actuellement dans l'équipe, sur des domaines connexes.

Plus généralement, le site Orange Labs de Meylan est identifié pour sa compétence dans toutes les composantes de l'Internet des Objets. L'écosystème grenoblois est également riche de partenaires compétents en IoT (université, écoles, centres de recherche, start-ups, grands groupes).

L'équipe Inria d'encadrement académique https://team.inria.fr/eva/team/ est réputée pour ses travaux sur les protocoles de communication radio, notamment pour les réseaux IoT à contrainte de qualité de service. Elle contribue activement à leur standardisation à l'IETF, et à leur implémentation dans des projets open-source. Elle est en étroite collaboration avec UC Berkeley.

Qu'est ce qui fait la valeur ajoutée de cette offre ?

Cette thèse traite d'un sujet en pleine effervescence : les réseaux pour l'Internet des Objets. La question de la Qualité de Service dans ces réseaux est cruciale pour leur utilisation dans applications industrielles ou commerciales critiques. Elle donnera l'opportunité de collaborer en recherche avec les meilleures équipes françaises et internationales. Elle offrira également au doctorant de découvrir le monde de la normalisation internationale.

Enfin, la plateforme de validation Sensorlab développée à Orange Labs donne à cette thèse des moyens remarquables de validation pratique et d'analyse de performance sur le terrain.

Références :

[1] Quentin Lampin. Réseaux urbains de capteurs sans-fil : Applications, caractérisation et protocoles. Réseaux et télécommunications INSA de Lyon, 2014.

[2] Guillaume Gaillard. Opérer les réseaux de l'Internet des Objets à l'aide de contrats de qualité de service (Service Level Agreements). Réseaux et télécommunications INSA Lyon, 2016

[3] Industrial Wireless IP-based Cyber Physical Systems. Thomas Watteyne, Vlado Handziski, Xavier Vilajosana, Simon Duquennoy, Oliver Hahm, Emmanuel Baccelli, Adam Wolisz. Proceedings of the IEEE, Vol. PP, Issue 99, pp. 1-14, March 2016.

[4] M. Veillette et al., https://www.ietf.org/id/draft-ietf-core-comi-02.txt

[5] M. R. Palattella et al., "On Optimal Scheduling in Duty-Cycled Industrial IoT Applications Using IEEE802.15.4e TSCH," in IEEE Sensors Journal, vol. 13, no. 10, pp. 3655-3666, Oct. 2013.

contract

Thesis