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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.

Spread ALOHA has become one of the advanced multiple access techniques promising several advantages over existing conventional and spread spectrum based wireless systems. Spread ALOHA is currently recognised as a simplified wireless multiple access system which provides a higher bandwidth and may accommodate high number of users. This thesis investigates the employment of a unique spreading code in conjunction with Spread ALOHA as opposed to the common method of employing distinct spreading codes for all users on the communication channel. This feature of Spread ALOHA would eliminate the limitation on the number of users imposed by finding sufficient orthogonal spreading codes, and moreover it would simplify the system and reduce the receiver complexity. In this research I have investigated the state of the art on this topic, and I have modelled and simulated a Single Code Spread ALOHA system together with a conventional CDMA ALOHA system in order to analyse and compare the performance of both systems. This study has shown the viability of employing single code in Spread ALOHA systems, and hence eliminating what is considered a limiting factor in other systems such as CDMA. The performance of this proposed system is comparable with that of CDMA; however the selection of suitable PN codes is essential. The parametric study in this work was aimed to find optimum performance criteria for the Spread ALOHA system. all users on the spread spectrum system to have equal average; received power levels. / Master of Engineering (Hons)

Industrial wireless sensor network (IWSN) is an application area of WSN used in industrial process monitoring and control with strict time and reliability requirement. WirelessHART standard is the first international standard for IWSN approved by International Electrotechnical Commission (IEC). This is worthwhile to implement this standard on simulator platform. Based on the study of WirelessHART standard, this thesis set up a primary implementation of the MAC layer of WirelessHART standard. To our best knowledge, this is the first comprehensive implementation of WirelessHART using OPNET simulator. The implementation has been evaluated rational. And some improvement of current implementation and standard have also been proposed and implemented. Flexible dedicated slot assignment has also been proposed to reduce the packet loss rate caused by influences of the physical channel.

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abstract: LTE-Advanced networks employ random access based on preambles transmitted according to multi-channel slotted Aloha principles. The random access is controlled through a limit <italic>W</italic> on the number of transmission attempts and a timeout period for uniform backoff after a collision. We model the LTE-Advanced random access system by formulating the equilibrium condition for the ratio of the number of requests successful within the permitted number of transmission attempts to those successful in one attempt. We prove that for <italic>W</italic>&le;8 there is only one equilibrium operating point and for <italic>W</italic>&ge;9 there are three operating points if the request load &rho; is between load boundaries &rho;₁ and &rho;₂. We analytically identify these load boundaries as well as the corresponding system operating points. We analyze the throughput and delay of successful requests at the operating points and validate the analytical results through simulations. Further, we generalize the results using a steady-state equilibrium based approach and develop models for single-channel and multi-channel systems, incorporating the barring probability <italic>P<super>B</super></italic>. Ultimately, we identify the de-correlating effect of parameters <italic>O, P<super>B</super>,</italic> and <italic>T_o<super>max</super></italic> and introduce the Poissonization effect due to the backlogged requests in a slot. We investigate the impact of Poissonization on different traffic and conclude this thesis. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2014

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Avec l'introduction des plate-formes CubeSat, le nombre de petits satellites lancés dans l'espace a grandi de manière importante pendant les deux dernières décennies.Étant développés initialement par des universités et des centres de recherche pour des simples tests technologiques ou des expériences académiques, ces plate-formes aujourd'hui permettent d'envisager de nouvelles applications et services.Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'usage de petits satellites à défilement pour des réseaux globaux de collecte de données et, plus généralement, pour des applications de type machine-to-machine (M2M).En raison des contraintes existantes tant au segment sol comme au segment spatial, la capacité du canal de transmission est fortement limitée---notamment celle du lien montant, qui correspond à un canal à accès multiple.Ces réseaux sont aussi caractérisés par des très petits messages arrivant au système de manière imprévisible, ce qui implique que toute redondance liée au protocole a un impact important sur l’efficacité spectrale. Ainsi, des méthodes d'accès aléatoires sont souvent préférés pour le lien montant.Relever ces défis nécessite d'aborder l'optimisation de la transmission de manière holistique. Plus spécifiquement, la conception des couches physiques (PHY) et de contrôle d'accès au support (MAC, de l'anglais Media Access Control) doit être menée de manière conjointe.Les principales contributions de cette thèse portent sur l'étude du protocole Time-- and Frequency--Asynchronous ALOHA (TFAA), une technique d'accès aléatoire utilisée dans des réseaux terrestres à modulation de bande étroite. En réduisant significativement le débit binaire de transmission, TFAA permet notamment d'établir des liaisons à longue portée et/ou à faible consommation énergétique, dont des systèmes M2M par satellite sont un exemple.D'abord, nous évaluons les performances au niveau MAC (i.e., le taux d'utilisation de canal et la probabilité d'erreur de packet) sous trois différents modèles de réception: le modèle de collisions, le modèle de capture et un modèle plus détaillé qui prend en compte les paramètres de la couche PHY.À partir de ce dernier modèle, nous étudions ensuite l'impact de certains paramètres de la couche PHY sur les performances au niveau MAC.Afin d'améliorer la performance de TFAA, nous proposons Contention Resolution Time-- and Frequency--Asynchronous ALOHA (CR-TFAA), une solution plus sophistiquée intégrant des techniques de suppressions successives d'interférences.Enfin, nous étudions les bénéfices obtenus en exploitant le compromis <<performance--délai de bout-en-bout>> en utilisant des techniques simples telles qu'un système de contrôle de transmission et le codage au niveau packet. / With the introduction of the CubeSat standard, the number of small-satellite missions has increased dramatically over the last two decades.Initially developed by universities and research centres for technology validation and academic experiments, these low-cost platforms currently allow to perform a variety of advanced, novel applications.In this thesis we are interested in the use of small satellites for global data collection and, more generally, for Internet of Things (IoT) and machine-to-machine (M2M) applications.Since both the space and ground segments are subject to stringent constraints in terms of size and mass, the overall capacity of the communications channel is highly limited, specially that of the uplink, which is a multi-access channel.These systems are also characterised by bursty, short messages, meaning that any protocol overhead may have a significant impact on the bandwidth efficiency. Hence, a random access approach is usually adopted for the uplink.Facing these challenges requires to optimize the communication system by taking an holistic approach. In particular, a joint design of both the physical (PHY) and Medium Access Control (MAC) layers is needed.The main contributions of this thesis are related to the study of Time-- and Frequency--Asynchronous ALOHA (TFAA), a random access approach adopted in terrestrial ultra narrowband (UNB) networks. By trading data rate for communication range or transmission power, TFAA is particularly attractive in power constrained applications such as low power wide area networks and M2M over satellite. First, we evaluate its MAC performance (i.e., its throughput and packet error rate) under three different reception models: the collision channel, the capture channel and a more detailed model that takes into account the PHY layer design.Then, we study the impact of PHY layer parameters, such as forward error correction (FEC), pulse shaping filter and modulation order, on the MAC performance.We show that, due to the characteristics of the multiple access interference, significant improvements can be obtained by applying low-rate FEC.To further improve TFAA's performance, we propose Contention Resolution Time-- and Frequency--Asynchronous ALOHA (CR-TFAA), a more advanced design which is in line with recent developments such as Asynchronous Contention Resolution Diversity ALOHA (ACRDA).Under the same set of hypothesis, we see that CR-TFAA provides similar and even better performance than ACRDA, with a decrease in the packet error rate of at least one order of magnitude.Finally, we study the benefits that can be obtained by trading delay for MAC performance and energy efficiency, using simple techniques such as transmission control and packet-layer erasure coding.