En tant qu'étape importante vers une société intelligente, hormis la communication d'humain à humain (H2H), les réseaux sans fil de l'avenir devraient prendre en charge la communication machine-à-machine (également 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 prolifération rapide des applications M2M, un grand nombre de terminaux seront déployés dans de nombreux types d'applications telles que le comptage intelligent, l'automatisation de l'industrie, la télésanté, etc.Cependant, les réseaux sans fil actuels ne sont toujours pas prêts pour écouler correctement le trafic des MTC. La raison en est double. Tout d'abord, l'évolution du réseau sans fil vise à augmenter le débit et à réduire le délai. Deuxièmement, les caractéristiques spéciales des MTC, telles qu'un nombre très élevé de terminaux déployés, une petite charge utile mais une transmission fréquente, un emplacement souvent d'installation défavorable, etc., font que les exigences de H2H ne sont pas partagés par la plupart des cas d'utilisation M2M.À partir de l'état de l'art, nous distinguons deux orientations de recherche possibles pour gérer efficacement le trafic M2M: Low Power Wide Area Network (LPWAN) et adaptation des réseaux cellulaires existants. Pour les deux pistes, les mécanismes d'accès radio, utilisés dans le réseau d'accès radio (RAN) sont d'une importance vitale pour assurer le succès de MTC. De ce point de vue, le mécanisme d'accès radio est le principal objectif de nos études. Dans cette thèse, nous présentons les contributions couvrant les aspects susmentionnés.Les contributions de cette thèse sont résumées dans les points suivants:Nous faisons état de l'art sur les études liées à l'efficacité énergétique des MTC de la littérature. La contribution principale de cette enquête est de passer en revue, classifier les travaux de recherche existants dans différentes catégories, et de comparer les avantages et les inconvénients entre les catégories. Nous parlons également des progrès de l'approche basée sur les LPWAN.Nous étudions l'impact de la diversité du niveau de puissance d'émission et du contrôle de puissance imparfait sur les systèmes LPWAN en slotted-ALOHA. Quelques directives de conception perspicaces sont obtenues en manipulant le modèle analytique établi.Nous étudions les performances du système LPWAN avec la diversité de la réception macro. En utilisant la géométrie stochastique, nous établissons des formules simples de forme fermée pour le taux de perte de paquets et le débit spatial. Ces formules sont très utiles pour analyser les réseaux LPWAN (en particulier dans les zones urbaines) et pour quantifier le gain de capacité du système. En rassemblant plusieurs résultats disponibles sur l'analyse de l'ALOHA pure, nous obtenons finalement un cadre de synthèse pour étudier le RAN de LPWAN.En termes d'adaptations au RAN des réseaux LTE, nous analysons d'abord le mécanisme d'accès aléatoire conventionnel dans LTE et identifions les inefficacités existantes. Nous proposons ensuite un service d'interrogation multipériodique pour les cas d'utilisation M2M périodiques. Le service proposé est comparé au mécanisme d'accès aléatoire conventionnel en LTE dans un modèle fluide. Les résultats numériques montrent que le service proposé réduit considérablement la consommation des ressources système telles que l'identificateur temporaire de réseau radio (RNTI), le bloc de ressources (RB) et a une efficacité énergétique supérieure en raison de l'évitement de la procédure d'accès aléatoire et des messages de signalisation associés. / As a key step toward a smart society, apart from the Human-to-Human (H2H) communication, the future wireless networks, are expected to accommodate Machine-to-Machine Communication (also known as Machine Type Communication (MTC)). The latter is a new communication paradigm in which the devices can talk with each other without or with little human intervention. With the rapid proliferation of M2M applications, a huge number of devices will be deployed in many types of use cases such as smart metering, industry automation, e-health, etc. However, the current wireless networks are still not ready to hold traffic from MTC. The reason is twofold. First, the evolution of the wireless network seeks for higher throughput and lower latency. Second, the special features that MTC exhibits, such as huge number of deployed devices, small payload but frequent transmission, adverse installation location, etc., lead to that the requirements by H2H are no longer required by most of M2M use cases.From the state-of-the-art work, we find that two possible research orientations to efficiently handle M2M traffic: Low Power Wide Area Network (LPWAN) and adaption of the existing cellular networks. For both of them, the radio access mechanisms, used in Radio Access Network (RAN), is vitally important to make MTC a promising technology. From this view, radio access mechanism is the main focus of our studies. In this thesis, we present the contributions covering the aforementioned aspects: performance evaluation of ALOHA-based LPWAN networks, and a polling service that is an extension to RAN of LTE networks for periodic M2M traffic.The contributions of this thesis are summarized on the following axis: We make a survey about the energy efficiency related studies in the literatures. The main contribution in this survey is to review, classify the existing research works into different categories, and compare the pros and cons between categories. We also review the advances of the LPWAN related study. We study the impact of transmit power level diversity and imperfect power control to the slotted ALOHA based LPWAN systems. Some insightful design guidelines are obtained by manipulating the established analytical model. We study the performance of LPWAN system with macro reception diversity. By stochastic geometry, we get simple closed-form formulas for the packet loss rate and spatial throughput, which were unknown before. These formulas are very useful to analyze LPWAN networks (especially in urban areas) and to quantify the system capacity gain. By gathering several available results about the analysis of non slotted ALOHA, we finally get a synthesis framework to study the RAN of LPWAN. In terms of adaptations to RAN of LTE networks, we first analyze the conventional random access mechanism in LTE and identify the existing inefficiencies. We then propose a multiple period polling service for periodic M2M use cases. The proposed service is compared with conventional random access mechanism in LTE in a fluid model. The numerical results show that the proposed service dramatically reduces the consumption of system resources such as Radio Network Temporary Identifier (RNTI), Resource Block (RB) and has a higher energy efficiency due to the avoidance of random access procedure and related signaling messages.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Eléctrico / El paradigma de comunicación Internet of Things (IoT), el cual plantea la posibilidad de interconectar objetos cotidianos y toda clase de dispositivos convencionales a Internet, está actualmente en pleno desarrollo. El gran número de nodos que se espera conectar a Internet exige a su vez la implementación a gran escala de Internet Protocol versión 6 (IPv6). IoT busca el desarrollo de nuevas aplicaciones y ha impulsado la creación de nuevas arquitecturas de red y nuevas clases de dispositivos. Las redes Low Power Wide Area Networks (LPWAN) han surgido recientemente como una evolución natural del concepto Wireless Sensor Networks (WSN), redes de sensores in- terconectadas. A la luz del IoT, las nuevas redes LPWAN abren un nuevo campo de desarrollo, principalmente enfocado en servicios de monitoreo y afines que se desarrollen en áreas am- plias y no requieran grandes tasas de transferencia. Los dispositivos LPWAN se caracterizan por ser de bajo consumo energético y de bajo costo, facilitando su despliegue masivo por largos períodos sin necesidad de recargar sus baterías. Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) es una de las primeras y principales tec- nologías LPWAN, y presenta una gran flexibilidad que la hace ideal para redes de diseño propio. En América funciona en la banda industrial, científica y médica (ISM) alrededor de los 915 MHz. Sin embargo, también existen muchas otras tecnologías LPWAN con arquitec- turas y protocolos propietarios, lo que dificulta alcanzar la interoperabilidad que se desea en el entorno IoT. El grupo de trabajo para la implementación de IPv6 sobre redes LPWAN (lpwan WG) perteneciente al Internet Engineering Task Force (IETF) se encuentra actualmente desarrol- lando un mecanismo de compresión y fragmentación de paquetes IPv6 para redes LPWAN denominado Static Context Header Compression (SCHC). El esquema de compresión se en- cuentra terminado, pero aún no ha sido implementado ni evaluado de manera oficial. En este trabajo se presenta una plataforma experimental para la implementación y eval- uación del mecanismo SCHC sobre una red LoRaWAN consistente en un nodo terminal Mi- crochip y un Radio Gateway (RG) de Everynet. En su desarrollo se han integrado múltiples y diversas herramientas del campo de las Telecomunicaciones y las Tecnologías de Información y Comunicación (ICT). La plataforma creada logra una implementación básica pero exitosa del esquema de com- presión de SCHC. Por medio de ella se ha llevado a cabo una evaluación preliminar del funcionamiento de SCHC, analizando el nivel de compresión logrado por el mecanismo para tres contextos de comunicación característicos de una red LPWAN. Los resultados obtenidos son positivos.

This Master thesis is focused on the design and consequential realization of the Multi-RAT communication device. The theoretical part describes a comparison of two promising communication LPWA (Low Power Wide Area) technologies that are available to use in the Czech Republic. These technologies are NB-IoT (NarrowBand-Internet of Things) and LoRaWAN (Long Range Wide Area Network). The practical part contains a description used components, their consequential fitting and testing of designed printed circuit board of the device. The thesis also describes the implementation of software and realized measurement. Technical documentation of a device can be found in the appendix of this thesis.

With technology advancements and the prices of electronic components reducing over the last fifteen years, many devices and systems that would have been proprietary only for large companies or industry giants are becoming an everyday household item. Various areas of technology have been benefiting from this but one of the biggest is the Internet of Things (IoT).With the prevalence of IoT, it has been integrated into houses, small businesses, farms, agriculture, building automation, etc. and the user population is now a resource to the industry as they complete personal projects. Within any project there are always limitations, this might be a limited time, limited funds, limited distance, or limitations of the devices being used. This study proposes to evaluate two low-powered networks, Narrowband Internet of Things (NB-IoT)and Long-Range Wide-Area Network(LoRaWAN), in different environments with the goal of understanding where the signal propagation is better and what distances can be reached despite obstructions. Distances and signal propagations, when measured by the manufacturers are often evaluated in ideal conditions which is rarely the case when utilized in the field. This creates a gap in the deployment and the end-users are frequently faced with diminished performances. As IoT is predominantly employed in urban and rural areas this study will focus on those two settings by testing the Received Signal Strength Indicator (RSSI)at various distances. The evaluation testing of the two systems showed each system performing more consistently in rural areas but neither had 100% coverage at any locations.

Anledningen till studien är för att avgöra om det svenska lantbruket är en lämplig sektor för att implementera LPWAN-enheter (datasändande lågenergienheter) på. Det anses intressant att veta om det finns ett behov för denna teknik på det nya området. Syftet med arbetet är hitta nya områden inom lantbruk som kan effektiviseras och göras mer hållbart med hjälp av IoT. Syftet är att göra en jämförelse på lantbruk för och efter implementering. Arbetet ska gå till grunden för verkliga behov där IoT kan fungera som en hjälpande hand samt utvärdera vilka områden inom svenskt lantbruk som har störst innovationspotential, på vilka sätt IoT-enheter kan göra svenskt lantbruk mer hållbart samt hur svenska lantbrukare vill att arbetslivet i en uppkopplad miljö ska vara uppbyggd. Att genom besök, intervjuer, en enkät samt idégenerering skapa en klar bild på vilka områden som är mest av behov av detta. Arbetet grundar sig på aktionsforskning och design thinking. Arbetet kommer även eftersöka likande forskning och utveckling inom området för att skapa en bild vad som håller på att hända inom sektorn. Förutom detta behöver sensorer testas i verklig miljö för att avgöra skillnader och möjliga nya innovativa arbetsprocesser. Ett test har gjorts där ett nuvarande arbetssätt av att mäta temperaturer testats mot tekniken. Både lantbrukare, forskare samt personer som arbetar inom branschen har blivit kontaktade för att ge sin syn på området. Resultatet visar att det det finns stor innovationspotential inom området och att stora förändringar kan göras genom implementering av IoT. Bevisen för att dessa enheter kommer att påverka ur ett hållbarhetsperspektiv har dock inte varit lika framhävande. Resultatet visar även att arbetssättet för framtida lantbrukare kan komma att förändras genom att manuella kontroller nu kan ske på distans samt att klimatmätningar nära gården med hjälp av de fokuserade IoT-enheterna både är mer noggranna och mer uppskattade av lantbrukaren. Tekniken är behövd inom området och mer forskning och utveckling borde göras inom området. Enheterna som ska användas borde utvecklas efter lantbrukarnas behov och kan därmed skilja sig markant på grund av att behoven är olika.

Med ett ökande antal IoT enheter finns behov av energieffektiva metoder för överföring av data över långa avstånd. Low Power Wide Area Network (LPWAN) är ett samlingsnamn för nätverkstekniker som utvecklats för att tillgodose dessa behov. LoRa som undersökt i detta arbete är en av dessa tekniker och arbetets syfte har varit att ta reda på hur olika typer av terränger påverkar överföringen med LoRa samt vilka möjligheter det finns för att förbättra överföringen då förhållandena inte är gynnsamma. Undersökningen har genomförts genom tester där nätverksutrusning ställts upp på utvalda platser för att göra mätningar på signalstyrka och paketförlust vid skogs- och stadsmiljö samt fri sikt. Parametrar som inverkar på signalstyrka och paketförlust har varierats vid ett av testen för undersökning vid ej gynnsamma förhållanden. Att kunna på ett lämpligt sätt samla in och presentera data från en IoT-applikation är en förutsättning för att kunna dra nytta av den informationen som applikationen ger. Ett SCADA system används inom många områden till detta ändamål och arbetet innefattar även en lösning för överföring från LoRa till WinCC som är ett SCADA system. Undersökningen av LoRa har visat att längst räckvidd med bäst signalstyrka och minst paketförlust fås vid fri sikt och den terräng som ger sämst resultat är skogsterräng. Den parameter som ger mest påverkan på signalstyrkan är bandbredden och parametern spridningsfaktor ger vid ökning ett mindre antal förlorade datapaket. / With an increasing number of IoT devices, there is a need for energy efficient methods for transferring data over long distances. The Low Power Wide Area Network (LPWAN) is a collective name for network technologies developed to meet these needs. LoRa, which has been investigated in this work, is one of these techniques. The purpose of the investigation has been to find out how different types of terrain affect the transmission with LoRa and what opportunities there are to improve the transmission when the conditions are bad. The investigation has been carried out through tests where network equipment has been placed in selected locations to make measurements on signal strength and packet loss in forest and urban environments as well as free sight. Parameters that give an impact on signal strength and packet loss have been varied in one of the tests for investigation in the case of bad conditions. Being able to collect and present data from an IoT application is a condition to get any benefits form the information from the application. A SCADA is used in many areas for this purpose and the work also includes a solution for transmission of data from LoRa to WinCC which is a SCADA system. The investigation of LoRa has shown that the longest range with the best signal strength and with the minimum number of lost packages are obtained in clear sight and the terrain that produces the worst results is forest terrain. The parameter that has the most impact on signal strength is the bandwidth and the parameter spreading factor gives a smaller number of lost data packets when increasing.

Low Power Wide Area Networks (LPWAN) are able to combine long range communication with a low energy consumption sacrificing performance in terms of bit rate and message frequency. This thesis presents a general evaluation of the LPWAN characteristics and a description of the LPWAN protocols LoRaWAN, SigFox and NB-IoT. It also covers a method to evaluate if a LPWAN technology would be a suitable choice of communication technology for a certain use case. Lastly, it covers the implementation of LoRaWAN on a connected electromechanical lock and investigates in the real life performance of the lock by using eight nodes in two case studies involving four locations each. The lock was evaluated from how often it was able to send a heartbeat (a status message), how reliable the communication was, what latency a user could expect and how much energy a data transmission required. Two of the eight nodes were placed in a deep indoor environment. One of them, located 0.794 km from a gateway was able transmit every 150th second. The other one located 1.85 km from a gateway was not able to successfully deliver any packets at all. Five nodes were able to transmit most heartbeats within 10 seconds. The Packet Delivery Ratio (PDR) was below 90% for all locations except for one. In this location, the node was placed close to a large window and managed to communicate with a gateway 3.22 km away with a PDR of 97% and almost exclusively with less than 10 seconds between transmission. The results in this thesis show the potential in LoRaWAN but highlights how dependent the performance will be of the placement of the lock. / Genom att kombinera låg dataöverföringshastighet och låg meddelandefrekvens kan LPWAN uppnå en kommunikation med lång räckvidd och låg energiförbrukning. Denna uppsats går igenom vad som karaktäriserar LPWAN i stort samt presenterar LPWAN-protokollen LoRaWAN, SigFox och NB-IoT. Den visar även en metod vilken kan användas för att utvärdera hur väl ett use case lämpar sig för LPWAN-tekniken. Slutligen görs en implementering av LoRaWAN i ett uppkopplat lås från ASSA ABLOY för att undersöka vilken prestanda som är möjlig att uppnå för åtta olika noder i två olika fallstudier. Låset utvärderades utfirån hur ofta det kunde skicka statusmeddelanden, hur tillförlitlig kommunikationen var samt hur mycket energi som förbrukades. Två av åtta noder placera-des långt in i sina respektive byggnader, den ena kunde endast skicka statusuppdateringar i intervaller om 150 sekunder och den andra lyckades inte leverera några datapaket alls. Fem noder lyckades skicka de flesta statusuppdateringerna i intervall under tio sekunder. Resultatet visade på en packet delivery ratio under 90% i samtliga fall förutom ett. Där placerades noden nära ett stort fönster och lyckades kommunicera med en gateway 3.22 km bort med en PDR på 97% och mindre än 10 sekunder mellan sändningarna. Detta resultat visar potentialen för LoRaWAN men belyser även hur beroende prestandan kommer att vara av hur låset placeras.

This thesis is a techno-economic study focus on the IoT connectivity service field. It describes the specifications of LPWAN, LPLAN, and Cellular-IoT technologies. The analysis method of dimensioning and cost structure calculation of IoT network is enhanced from previous wireless network research, which is also a research gap in the telecom industry. By using this method, the dimensioning results and cost structure performances can be obtained when having the inputs of the scenario. The results are compared among SigFox, LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M, EC-GSM-IoT, and WiFi-HaLow. Furthermore, we find out the cost driver of different technologies. When it comes to different actors, a new market entrant or an incumbent, the strategies taken by the actors are compared. They are building own sites or leasing sites from other actors, even reusing sites if possible. The contribution of this thesis is pointing out the dimensioning and cost structure calculation method of deploying IoT connectivity. Another contribution is comparing the cost performance and figuring out the cost driver. SigFox is costefficient for low capacity scenario, while LTE-M is of good cost performance for high capacity cases. The cost driver is operation and maintenance cost and site build cost. By leasing and reusing sites, the site build cost can be largely reduced. / Denna avhandling har ett ekonomiskt och tekniskt perspektiv på anslutningstjänsten IoT. Den beskriver specifikationerna för LPWAN, LPLAN och Cellular-IoT teknik. Analysmetoden för dimensionering och beräkning av kostnadsstruktur av IoT-nätet har förbättrats jämfört med tidigare trådlös nätverksforskning, vilket i sig är ett område som saknar tillräcklig forskning inom telekombranschen. Genom att använda den här metoden kan dimensioneringens resultat och prestandan av kostnadsstrukturen erhållas när indata finns tillgängligt för olika fall/scenarion. Resultaten jämförs bland SigFox, LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M, EC-GSM-IoT och WiFi-HaLow. Dessutom hittar vi kostnadsdrivaren av olika teknologier. När det gäller olika aktörer, en ny marknadsaktör eller en etablerad aktör, jämförs de olika strategier som aktörerna använder. De bygger egna basstationer eller leasar basstationer från andra aktörer, och i vissa fall även återanvändning av basstationer om så är möjligt. Denna avhandling bidrar till att peka ut beräkningsmetoden för dimensioneringen och kostnadsstruktur av att bygga ut IoT-anslutningar. En annan slutsats är jämförelsen av kostnadseffektiviteten mellan olika teknologier och att komma underfund med kostnadsdrivaren. SigFox är kostnadseffektiv i fallen där kapaciteten är låg, medan LTE-M har bra kostnadseffektivitet i fallen där kapaciteten är hög. Kostnadsdrivaren är driftoch underhållskostnad samt kostnad för konstruktionen av byggplatsen. Genom att leasa och återanvända basstationer kan kostanden för konstruktionen av byggplatsen minskas till en stor del.

The diploma thesis describes the actual situation of smart water metering, an overview of water meters suitable for remote data reading and individual components for application of remote data transmission including transmission itself. The thesis also contains the characteristics of available wireless data communication technologies and detailed solutions according to two companies specializing in remote transmission of water meter data. Subsequently, the pilot projects of large water company are presented, including practical findings. The practical part deals with the implementation of smart water metering in three specific municipalities, including a description of the area of interest, water supply system specification and possible limitations, the recommended technology, the requirements for putting in into operation and the pricing of technology and services according to two specialized companies. Finally, the possibilities of other using of smart water meter technology are discussed.

Det här projektet syftar till att undersöka den energiförbrukning som krävs för att driva en krets som använder LoRa till trådlös kommunikation. Energiåtgången beräknas med hänsyn till de oberoende variablerna datamängd vid överföring samt antalet överföringar per dygn. Studien syftar till att undersöka vilken av de parametrarna som påverkar energiförbrukningen mest och vad det energieffektivaste förhållandet mellan dem är.   En mätutrustning togs fram genom kodning och inkapsling av ett utvecklingskort (NUCLEO-L037RZ) med ett tillhörande expansionskort för kommunikation över LoRa-nätverket (SX1272MB2DAS LoRa RF). Ett kodbibliotek laddades ner till kortet och modifierades för genomförandet av studien. I studien utfördes ett experiment för att ta fram tidsåtgången vid olika fall av dataöverföring. De beräknade värdena användes sedan för beräkning av energiåtgången i de olika fallen, genom teoretiska formler.   Resultatet visar att energiförbrukningen ökar mer med antal överföringar per dygn än en ökad datamängd per överföring. Resultatet av den här studien skulle kunna användas som kompletterande vägledning vid beslutsfattande av hur data ska överföras då LoRa används som kommunikationsmedel.   Studien undersökte enbart energiförbrukningen på utvecklingskortet NUCLEO-L037RZ med expansionskortet SX1272MB2DAS LoRa RF. Trots det borde resultatet vara applicerbart för andra LoRa-produkter. / This project aims to research the energy consumption required to run a circuit using LoRa for wireless communication. The energy consumption is calculated by taking the independent variables for the data set, and the number of transmissions per day into account. The study aims to research which one of these parameters affects the energy consumption the most and what the most energy efficient ratio between them are.   A measuring device was developed by programming a development board and installing it in a chassis. The development board (NUCLEO-L037R) has an attachable expansion board for LoRa-communication (SX1272MB2DAS LoRa RF). A code library was downloaded in order to run the board and then modified to suit the research. In the study, one experiment was performed in order to obtain the time required for a transmission, depending on the size of the data sets. The calculated time intervals were then used in a physical formula, to calculate the theoretical energy consumption for each case.   The results show that increasing the number of transmissions per day requires more energy than increasing the size of the data set. The results of this study could be used as a complementary guide for making decisions regarding how data is going to be transmitted using LoRa as a means of communication.   The study only investigated the energy consumption on the development board NUCLEO-L037RZ including the expansion board SX1272MB2DAS LoRa RF. Even so, the result should be applicable on other LoRa products as well.