Access protocols adaptation to massive machine-to-machine communications

Abstract

A large number of connected devices are widely present in cities and industries. This number continues to grow and a wireless network solution to connect all of them is necessary. The current LTE is a natural choice to handle to the massive M2M scenario. Nevertheless, the LTE random access procedure must be adapted to support the large traffics because in its current state, the number of collisions in the random access procedure saturates the network, causing a low performance. The project started with a survey of the current techniques that introduce some improvements to the random access procedure to solve the collision problem. The most interesting are the separation of resources, the use of prioritized classes of devices, the collision resolution solution and the hybrid resources for both human and machine communications. Considering these techniques, two contributions focusing on the preamble message of the random access procedure have been proposed. The first contribution analyzes the preamble capacity and provides a selection probability that guarantee a uniform success rate independent of the preamble chosen. The second contribution evaluated the potential gain if, a different method to detect preamble collisions considering the arrival time and the SNR level, is defined. The WSNet simulator has been adapted to an LTE massive context and the random access procedure has been partially implemented. For the first contribution, the results showed that under a threshold (number of users) the success rate is higher than the standard approach. A proposition to extend this contribution is proposed in future works. The second contribution presents an important gain over the standard solution. This shows the importance to define new strategies preamble detection. Some ideas were also proposed with this objective such as discrimination based on the arrival time or voluntarily creation of offsets.

Un large nombre de dispositifs connectés sont déployés dans les villes et l’industrie. Ce nombre continue à croître et une solution de réseau sans fil pour les interconnecter est nécessaire. Le LTE actuel est le choix naturel pour gérer l’accès massif de M2Ms. Néanmoins, la procédure d'accès aléatoire LTE doit être adaptée pour soutenir les grands trafics, car dans son état actuel, le nombre de collisions dans la procédure d'accès aléatoire sature le réseau, provoquant une faible performance. Le projet démarra par une étude bibliographique sur les techniques qui améliorent la procédure d'accès aléatoire et résolvent les problèmes de collision. Les plus intéressantes sont la séparation des ressources, l'utilisation de classes de priorité pour les dispositifs, la solution de résolution de collision et les ressources hybrides pour des communications humaines et machines. Compte tenu de ces techniques, deux contributions centrées sur le message préambule de la procédure d'accès aléatoire ont été proposées. La première contribution a analysé la capacité du préambule et une probabilité de sélection a été mise en place afin de garantir un taux de succès uniforme indépendamment du préambule choisi. La seconde contribution propose d’évaluer le gain potentiel d’une méthode différente pour détecter les collisions de préambule, compte tenu du temps d'arrivée et du niveau de SNR. Le simulateur de WSNet a été adapté au contexte massif LTE et la procédure d'accès aléatoire a été partiellement mise en œuvre. Pour la première contribution, les résultats ont montré que sous un certain seuil (nombre d’utilisateurs) le taux de succès de cette technique est plus élevé que l'approche standard. Une extension de cette solution pour gérer la situation au-dessous d'un seuil a donc été proposée. La deuxième contribution présente un gain important sur la solution standard et montre l’importance de définir de nouvelles stratégies de détection de préambule. Quelques idées ont donc également été proposées comme la discrimination en fonction du temps d'arrivée ou de créer volontairement des décalages.