Radio access mechanisms for massive machine communication in long-range wireless networks. (Mécanismes d'accès radio pour la télécommunication de type machine massive dans les réseaux sans fil à longue portée)

En tant qu'etape importante vers une societe intelligente, hormis la communication d'humain a humain (H2H), les reseaux sans fil de l'avenir devraient prendre en charge la communication machine-a-machine (egalement connue sous le nom de MTC). Ce dernier est un nouveau paradigme de communication dans lequel les terminaux peuvent parler les uns avec les autres sans ou avec peu d'intervention humaine. Avec la proliferation rapide des applications M2M, un grand nombre de terminaux seront deployes dans de nombreux types d'applications telles que le comptage intelligent, l'automatisation de l'industrie, la telesante, etc.Cependant, les reseaux sans fil actuels ne sont toujours pas prets pour ecouler correctement le trafic des MTC. La raison en est double. Tout d'abord, l'evolution du reseau sans fil vise a augmenter le debit et a reduire le delai. Deuxiemement, les caracteristiques speciales des MTC, telles qu'un nombre tres eleve de terminaux deployes, une petite charge utile mais une transmission frequente, un emplacement souvent d'installation defavorable, etc., font que les exigences de H2H ne sont pas partages par la plupart des cas d'utilisation M2M.A partir de l'etat de l'art, nous distinguons deux orientations de recherche possibles pour gerer efficacement le trafic M2M: Low Power Wide Area Network (LPWAN) et adaptation des reseaux cellulaires existants. Pour les deux pistes, les mecanismes d'acces radio, utilises dans le reseau d'acces radio (RAN) sont d'une importance vitale pour assurer le succes de MTC. De ce point de vue, le mecanisme d'acces radio est le principal objectif de nos etudes. Dans cette these, nous presentons les contributions couvrant les aspects susmentionnes.Les contributions de cette these sont resumees dans les points suivants:Nous faisons etat de l'art sur les etudes liees a l'efficacite energetique des MTC de la litterature. La contribution principale de cette enquete est de passer en revue, classifier les travaux de recherche existants dans differentes categories, et de comparer les avantages et les inconvenients entre les categories. Nous parlons egalement des progres de l'approche basee sur les LPWAN.Nous etudions l'impact de la diversite du niveau de puissance d'emission et du controle de puissance imparfait sur les systemes LPWAN en slotted-ALOHA. Quelques directives de conception perspicaces sont obtenues en manipulant le modele analytique etabli.Nous etudions les performances du systeme LPWAN avec la diversite de la reception macro. En utilisant la geometrie stochastique, nous etablissons des formules simples de forme fermee pour le taux de perte de paquets et le debit spatial. Ces formules sont tres utiles pour analyser les reseaux LPWAN (en particulier dans les zones urbaines) et pour quantifier le gain de capacite du systeme. En rassemblant plusieurs resultats disponibles sur l'analyse de l'ALOHA pure, nous obtenons finalement un cadre de synthese pour etudier le RAN de LPWAN.En termes d'adaptations au RAN des reseaux LTE, nous analysons d'abord le mecanisme d'acces aleatoire conventionnel dans LTE et identifions les inefficacites existantes. Nous proposons ensuite un service d'interrogation multiperiodique pour les cas d'utilisation M2M periodiques. Le service propose est compare au mecanisme d'acces aleatoire conventionnel en LTE dans un modele fluide. Les resultats numeriques montrent que le service propose reduit considerablement la consommation des ressources systeme telles que l'identificateur temporaire de reseau radio (RNTI), le bloc de ressources (RB) et a une efficacite energetique superieure en raison de l'evitement de la procedure d'acces aleatoire et des messages de signalisation associes.