Communication Grant-Free dans l'IoT cellulaire de nouvelle génération : Optimisation de l'IRSA tenant compte de la couche physique

La prolifération des applications del'Internet des objets (IoT) exige des systèmescellulaires capables de supporter efficacementun nombre massif d'appareils caractérisés pardes transmissions sporadiques de paquetscourts. Un large éventail de solutions deconnectivité IoT a émergé afin de répondreà ces exigences, chacune étant adaptéeà des cas d'usage et à des besoins deperformance spécifiques. Plus récemment,la 5G a introduit les dispositifs à capacitéréduite (RedCap), des terminaux IoT àfaible coût présentant des contraintesmatérielles simplifiées. Un inconvénientmajeur des solutions de connectivité IoTconventionnelles réside dans leur dépendanceà des mécanismes d'accès basés sur l'allocationde ressources, initialement conçus pourdes communications centrées sur l'humain.Cela entraîne une surcharge de signalisationet une latence prohibitives dans lesscénarios IoT. Les protocoles d'accès aléatoiresans allocation (grant-free), notammentl'Irregular Repetition Slotted ALOHA (IRSA),constituent une alternative prometteuse enpermettant aux dispositifs de transmettre sansordonnancement préalable. Néanmoins, ledéploiement pratique de l'accès grant-freedans les réseaux cellulaires nécessite une priseen compte attentive des imperfections de lacouche physique, généralement négligées parles analyses théoriques.Cette thèse développe des cadresanalytiques et d'optimisation pour l'IRSAintégrant explicitement des contraintesréalistes de la couche physique dans lesréseaux IoT cellulaires. Quatre contributionsprincipales sont présentées. Premièrement,nous caractérisons les capacités desdispositifs RedCap ainsi que leurs implicationspour la conception de protocoles d'accèsaléatoire. Deuxièmement, nous optimisonsles paramètres de l'IRSA en présence d'uneannulation successive d'interférence (SIC)imparfaite, en combinant une modélisationphysique en bande de base avec des outilsanalytiques issus de la théorie du codage.Troisièmement, nous développons un cadreunifié permettant de capturer conjointementles effets de capture et l'interférencerésiduelle, en vue d'une optimisation au niveausystème. Quatrièmement, nous étudions desarchitectures multi-points d'accès avec unemodélisation explicite de la corrélation spatialepour des déploiements distribués.Les résultats obtenus démontrent quedes approches de conception tenant comptede la couche physique permettent d'obtenirdes gains de performance substantiels. Lesparamètres IRSA optimisés pour une SICimparfaite maintiennent un débit à moinsde 10 % des conditions idéales, malgrédes imperfections réalistes. L'optimisationintégrant les effets de capture atteintjusqu'à 1,41 paquet par créneau, surpassantsignificativement les protocoles qui ignorentles contraintes de la couche physique etsubissent jusqu'à 43 % de dégradation dedébit. Enfin, le décodage IRSA distribué parcoordination multi-points d'accès dans desscénarios cell-free est identifié comme unedirection prometteuse pour des améliorationsde capacité supplémentaires, la modélisationprécise de la corrélation spatiale apparaissantcomme une exigence clé. Les cadresdéveloppés dans cette thèse fournissent ainsides outils pratiques pour le déploiementde l'accès grant-free basé sur l'IRSA dansles réseaux IoT cellulaires 5G-Advancedet 6G, en comblant le fossé entre laconception théorique des protocoles et leurimplémentation réelle.