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Theses Year : 2020

Medium Access Control Layer for Dedicated IoT Networks

Méthodes d'Accès au Canal pour les Réseaux Dédiés à l'Internet des Objets

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Abstract

Dedicated networks for the Internet of Things appeared with the promise of connecting thousands of nodes, or even more, to a single base station in a star topology. This new logic represents a fundamental change in the way of thinking about networks, after decades during which research work mainly focused on multi-hop networks. Internet of Things networks are characterized by long transmission range, wide geographic coverage, low energy consumption and low set-up costs. This made it necessary to adapt the protocols at different architectural layers in order to meet the needs of these networks. Several players compete in the Internet of Things market, each trying to establish the most efficient solution. These players are mostly focused on modifying the physical layer, on the hardware part or through proposing new modulations. However, with regard to the channel access control solution (known as the MAC protocol), all the solutions proposed by these players are based on classic approaches such as Aloha and CSMA. The objective of this thesis is to propose a dynamic MAC solution for networks dedicated to the Internet of Things. The proposed solution has the ability to adapt to network conditions. This solution is based on a machine learning algorithm that learns from network history in order to establish the relationship between network conditions, MAC layer parameters and network performance in terms of reliability and energy consumption. The solution also has the originality of making possible the coexistence of nodes using different MAC configurations within the same network. The results of simulations have shown that a MAC solution based on machine learning could take advantage of the good properties of different conventional MAC protocols. The results also show that a cognitive MAC solution always offers the best compromise between reliability and energy consumption, while taking into account the fairness between the nodes of the network. The cognitive MAC solution tested for high density networks has proven better scalability compared to conventional MAC protocols, which is another important advantage of our solution.
Les réseaux dédiés pour l’Internet des Objets sont apparus avec la promesse de connecter des milliers de nœuds, voire plus, à une seule station de base dans une topologie en étoile. Cette nouvelle logique représente un changement fondamental dans la façon de penser les réseaux, après des décennies pendant lesquelles les travaux de recherche se sont focalisés sur les réseaux multi-sauts. Les réseaux pour l’Internet des Objets se caractérisent par la longue portée des transmissions, la vaste couverture géographique, une faible consommation d’énergie et un bas coût de mise en place. Cela a rendu nécessaire des adaptations à tous les niveaux protocolaires afin de satisfaire les besoins de ces réseaux. Plusieurs acteurs sont en concurrence sur le marché de l’Internet des Objets, essayant chacun d’établir la solution la plus efficiente. Ces acteurs se sont concentrés sur la modification de la couche physique, soit au niveau de la partie matérielle, soit par la proposition de nouvelles techniques de modulation. Toutefois, en ce qui concerne la solution de contrôle d’accès au canal (connue sous le nom de couche MAC), toutes les solutions proposées par ces acteurs se fondent sur des approches classiques, tel que Aloha et CSMA. L'objectif de cette thèse est de proposer une solution MAC dynamique pour les réseaux dédiés à l’Internet des Objets. La solution proposée a la capacité de s'adapter aux conditions du réseau. Cette solution est basée sur un algorithme d'apprentissage automatique, qui apprend de l'historique du réseau afin d'établir la relation entre les conditions du réseau, les paramètres de la couche MAC et les performances du réseau en termes de fiabilité et de consommation d'énergie. La solution possède également l'originalité de faire coexister des nœuds utilisant de différentes configurations MAC au sein du même réseau. Les résultats de simulations ont montré qu'une solution MAC basée sur l'apprentissage automatique pourrait tirer profit des avantages des différents protocoles MAC classiques. Les résultats montrent aussi qu'une solution MAC cognitive offre toujours le meilleur compromis entre fiabilité et consommation d'énergie, tout en prenant en compte l'équité entre les nœuds du réseau. La solution MAC cognitive testée pour des réseaux à haute densité a prouvé des bonnes propriétés de passage à l’échelle par rapport aux protocoles MACs classiques, ce qui constitue un autre atout important de notre solution.
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Dates and versions

tel-03090324 , version 1 (29-12-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03090324 , version 1

Cite

Abderrahman Ben Khalifa. Medium Access Control Layer for Dedicated IoT Networks. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. INSA Lyon, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03090324⟩
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