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Towards reliable communication in LTE-A connected heterogeneous machine to machine network

Nessa, Ahasanun (2017). Towards reliable communication in LTE-A connected heterogeneous machine to machine network. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Machine to machine (M2M) communication is an emerging technology that enables heterogeneous devices to communicate with each other without human intervention and thus forming so-called Internet of Things (IoTs). Wireless cellular networks (WCNs) play a significant role in the successful deployment of M2M communication. Specially the ongoing massive deployment of long term evolution advanced (LTE-A) makes it possible to establish machine type communication (MTC) in most urban and remote areas, and by using LTE-A backhaul network, a seamless network communication is being established between MTC-devices and-applications. However, the extensive network coverage does not ensure a successful implementation of M2M communication in the LTE-A, and therefore there are still some challenges.

Energy efficient reliable transmission is perhaps the most compelling demand for various M2M applications. Among the factors affecting reliability of M2M communication are the high endto-end delay and high bit error rate. The objective of the thesis is to provide reliable M2M communication in LTE-A network. In this aim, to alleviate the signalling congestion on air interface and efficient data aggregation we consider a cluster based architecture where the MTC devices are grouped into number of clusters and traffics are forwarded through some special nodes called cluster heads (CHs) to the base station (BS) using single or multi-hop transmissions. In many deployment scenarios, some machines are allowed to move and change their location in the deployment area with very low mobility. In practice, the performance of data transmission often degrades with the increase of distance between neighboring CHs. CH needs to be reselected in such cases. However, frequent re-selection of CHs results in counter effect on routing and reconfiguration of resource allocation associated with CH-dependent protocols. In addition, the link quality between a CH-CH and CH-BS are very often affected by various dynamic environmental factors such as heat and humidity, obstacles and RF interferences. Since CH aggregates the traffic from all cluster members, failure of the CH means that the full cluster will fail. Many solutions have been proposed to combat with error prone wireless channel such as automatic repeat request (ARQ) and multipath routing. Though the above mentioned techniques improve the communication reliability but intervene the communication efficiency. In the former scheme, the transmitter retransmits the whole packet even though the part of the packet has been received correctly and in the later one, the receiver may receive the same information from multiple paths; thus both techniques are bandwidth and energy inefficient. In addition, with retransmission, overall end to end delay may exceed the maximum allowable delay budget.

Based on the aforementioned observations, we identify CH-to-CH channel is one of the bottlenecks to provide reliable communication in cluster based multihop M2M network and present a full solution to support fountain coded cooperative communications. Our solution covers many aspects from relay selection to cooperative formation to meet the user’s QoS requirements. In the first part of the thesis, we first design a rateless-coded-incremental-relay selection (RCIRS) algorithm based on greedy techniques to guarantee the required data rate with a minimum cost. After that, we develop fountain coded cooperative communication protocols to facilitate the data transmission between two neighbor CHs. In the second part, we propose joint network and fountain coding schemes for reliable communication. Through coupling channel coding and network coding simultaneously in the physical layer, joint network and fountain coding schemes efficiently exploit the redundancy of both codes and effectively combat the detrimental effect of fading conditions in wireless channels. In the proposed scheme, after correctly decoding the information from different sources, a relay node applies network and fountain coding on the received signals and then transmits to the destination in a single transmission. Therefore, the proposed schemes exploit the diversity and coding gain to improve the system performance. In the third part, we focus on the reliable uplink transmission between CHs and BS where CHs transmit to BS directly or with the help of the LTE-A relay nodes (RN). We investigate both type-I and type-II enhanced LTE-A networks and propose a set of joint network and fountain coding schemes to enhance the link robustness.

Finally, the proposed solutions are evaluated through extensive numerical simulations and the numerical results are presented to provide a comparison with the related works found in the literature.

Titre traduit

Vers des communications fiables dans le réseau hétérogène machine à machine connectée au LTE-A

Résumé traduit

La communication machine à machine (M2M) est une technologie émergente qui permet à des dispositifs hétérogènes de communiquer entre eux sans intervention humaine et donc de former le soi-disant Internet des choses (IoTs). Les réseaux cellulaires sans fil (WCN) jouent un rôle important dans le déploiement réussi de la communication M2M. En particulier, le déploiement massif continu de l’évolution à long terme (LTE-A) permet d’installer le réseau M2M dans la plupart des zones urbaines et éloignées, et en utilisant le réseau backhaul LTEA, une communication en réseau sans faille est établie entre les noeuds MTC et -applications. Cependant, la couverture étendue du réseau ne garantit pas une mise en oeuvre réussie de la communication M2M dans le LTE-A, et il y a donc encore des défis.

Une transmission fiable et efficace en l’énergie est peut-être la demande des plus importante pour diverses applications M2M. Parmi les facteurs qui affectent la fiabilité de la communication M2M, figurent le retard élevé de bout en bout et le taux élevé d’erreur binaire. L’objectif de la thèse est de fournir une communication M2M fiable dans le réseau LTE-A. Dans ce but, pour alléger la congestion de signalisation sur l’interface aérienne et l’agrégation de données efficace, nous considérons une architecture basée sur le cluster où les périphériques MTC sont regroupés en nombre de clusters et les trafics sont transmis à travers certains noeuds spéciaux appelés tête de cluster (CHs) aux Stations de Base (BS) en utilisant des transmissions mono ou multisaut. Dans de nombreux scénarios de déploiement, certaines machines sont autorisées à se déplacer et à changer leur emplacement dans la zone de déploiement à très faible mobilité. En pratique, les performances de la transmission de données se dégradent souvent avec l’augmentation de la distance entre CHs voisins. CH doit être réexaminé dans de tels cas. Cependant, la réélection fréquente des CH entraîne un contre-effet sur le routage et la reconfiguration de l’allocation des ressources associée aux protocoles qui dépendent du CH. En outre, la qualité de la liaison entre un CH-CH et un CH-BS est très souvent affectée par divers facteurs environnementaux dynamiques tels que la chaleur et l’humidité, les obstacles et les interférences RF. De nombreuses solutions ont été proposées pour lutter contre le canal sans fil à risque d’erreur, comme la demande de répétition automatique (ARQ) et le routage multipath. Dans le premier schéma, l’émetteur retransmet le paquet entier même si la partie du paquet a été reçue correctement et dans le dernier, le récepteur peut recevoir les mêmes informations à partir de chemins multiples ; donc les deux techniques sont inefficaces en rapport à la bande passante et l’énergie. En outre, avec la retransmission, le délai global de bout en bout peut dépasser le budget de délai maximal autorisé.

Sur la base des observations susmentionnées, nous identifions le canal CH à CH comme étant l’un des goulots d’étranglement pour fournir une communication fiable dans le cluster base sur le réseau hiérarchique M2M et nous présentons une solution complète pour soutenir les communications coopératives codées par fontaine. Notre solution couvre de nombreux aspects, de la sélection de relais à la formation coopérative pour répondre aux exigences de QoS de l’utilisateur. Dans la première partie de la thèse, nous concevons d’abord un algorithme de sélection de relais incrémentiels codés sans raillerie (RCIRS) basé sur des techniques gourmands pour garantir le débit de données requis avec un coût minimum. Ensuite, nous développons des protocoles de communication coopératifs codés par fontaine pour faciliter la transmission de données entre deux CH voisins. Dans la deuxième partie, nous proposons des systèmes de codage de réseau commun et de fontaines pour une communication fiable. Grâce au codage de canal de couplage et au codage de réseau, simultanément dans la couche physique, les schemas de codage de réseau conjoint et de fontaine exploitent efficacement la redondance des deux codes et combattent efficacement l’effet néfaste des conditions d’affaiblissement du signal dans des canaux sans fil. Dans le schéma proposé, après décodage correct des informations provenant de sources différentes, un noeud relais applique un codage réseau et fontaine sur les signaux reçus puis transmet à la destination dans une seule transmission. Par conséquent, les schémas proposés exploitent la diversité spatiale et améliorent l’efficacité de la bande passante. Dans la troisième partie, nous nous concentrons sur la transmission uplink fiable entre CHs et BS où les CHs transmettent directement à BS ou à l’aide des noeuds de relais LTE-A (RN). Nous étudions le réseau LTE-A amélioré de type I et de type II et proposons un ensemble conjoint de systèmes de codage réseau et fontaine qui permettent de lutter efficacement contre l’effet néfaste des canaux d’évanouissement sans fil et d’améliorer la robustesse des liaisons.

Enfin, les solutions proposées sont évaluées par des simulations numériques étendues et les résultats numériques sont présentés pour fournir une comparaison avec les travaux connexes trouvés dans la littérature.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 143-156.
Mots-clés libres: Communication entre machines. Technologie d'évolution à long terme (Norme) Transmission sans fil Fiabilité. Transmission sans fil Gestion. Données Transmission. Routage adaptatif. Codes correcteurs d'erreurs (Théorie de l'information) Internet des objets. coopérative, fontaine
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kadoch, Michel
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Rong, Bo
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 19 sept. 2017 20:07
Dernière modification: 19 sept. 2017 20:07
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1929

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