Optimisation de la gestion des interférences inter-cellulaires et de l'attachement des mobiles dans les réseaux cellulaires LTE

Driven by an exponential growth in mobile broadband-enabled devices and a continue dincrease in individual data consumption, mobile data traffic has grown 4000-fold over the past 10 years and almost 400-million-fold over the past 15 years. Homogeneouscellular networks have been facing limitations to handle soaring mobile data traffic and to meet the growing end-user demand for more bandwidth and betterquality of experience. These limitations are mainly related to the available spectrumand the capacity of the network. Telecommunication industry has to address these challenges and meet exploding demand. At the same time, it has to guarantee a healthy economic model to reduce the carbon footprint which is caused by mobile communications.Heterogeneous Networks (HetNets), composed of macro base stations and low powerbase stations of different types, are seen as the key solution to improve spectral efficiency per unit area and to eliminate coverage holes. In such networks, intelligent user association and interference management schemes are needed to achieve gains in performance. Due to the large imbalance in transmission power between macroand small cells, user association based on strongest signal received is not adapted inHetNets as only few users would attach to low power nodes. A technique based onCell Individual Offset (CIO) is therefore required to perform load balancing and to favor some Small Cell (SC) attraction against Macro Cell (MC). This offset is addedto users’ Reference Signal Received Power (RSRP) measurements and hence inducing handover towards different eNodeBs. As Long Term Evolution (LTE) cellular networks use the same frequency sub-bands, mobile users may experience strong inter-cellxv interference, especially at cell edge. Therefore, there is a need to coordinate resource allocation among the cells and minimize inter-cell interference. To mitigate stronginter-cell interference, the resource, in time, frequency and power domain, should be allocated efficiently. A pattern for each dimension is computed to permit especially for cell edge users to benefit of higher throughput and quality of experience. The optimization of all these parameters can also offer gain in energy use. In this thesis,we propose a concrete versatile dynamic solution performing an optimization of user association and resource allocation in LTE cellular networks maximizing a certainnet work utility function that can be adequately chosen. Our solution, based on gametheory, permits to compute Cell Individual Offset and a pattern of power transmission over frequency and time domain for each cell. We present numerical simulations toillustrate the important performance gain brought by this optimization. We obtain significant benefits in the average throughput and also cell edge user through put of40% and 55% gains respectively. Furthermore, we also obtain a meaningful improvement in energy efficiency. This work addresses industrial research challenges and assuch, a prototype acting on emulated HetNets traffic has been implemented.Conduit par une croissance exponentielle dans les appareils mobiles et une augmentation continue de la consommation individuelle des données, le trafic de données mobiles a augmenté de 4000 fois au cours des 10 dernières années et près de 400millions fois au cours des 15 dernières années. Les réseaux cellulaires homogènes rencontrent de plus en plus de difficultés à gérer l’énorme trafic de données mobiles et à assurer un débit plus élevé et une meilleure qualité d’expérience pour les utilisateurs.Ces difficultés sont essentiellement liées au spectre disponible et à la capacité du réseau.L’industrie de télécommunication doit relever ces défis et en même temps doit garantir un modèle économique pour les opérateurs qui leur permettra de continuer à investir pour répondre à la demande croissante et réduire l’empreinte carbone due aux communications mobiles. Les réseaux cellulaires hétérogènes (HetNets), composés de stations de base macro et de différentes stations de base de faible puissance,sont considérés comme la solution clé pour améliorer l’efficacité spectrale par unité de surface et pour éliminer les trous de couverture. Dans de tels réseaux, il est primordial d’attacher intelligemment les utilisateurs aux stations de base et de bien gérer les interférences afin de gagner en performance. Comme la différence de puissance d’émission est importante entre les grandes et petites cellules, l’association habituelle des mobiles aux stations de bases en se basant sur le signal le plus fort, n’est plus adaptée dans les HetNets. Une technique basée sur des offsets individuelles par cellule Offset(CIO) est donc nécessaire afin d’équilibrer la charge entre les cellules et d’augmenter l’attraction des petites cellules (SC) par rapport aux cellules macro (MC). Cette offset est ajoutée à la valeur moyenne de la puissance reçue du signal de référence(RSRP) mesurée par le mobile et peut donc induire à un changement d’attachement vers différents eNodeB. Comme les stations de bases dans les réseaux cellulaires LTE utilisent les mêmes sous-bandes de fréquences, les mobiles peuvent connaître une forte interférence intercellulaire, en particulier en bordure de cellules. Par conséquent, il est primordial de coordonner l’allocation des ressources entre les cellules et de minimiser l’interférence entre les cellules. Pour atténuer la forte interférence intercellulaire, les ressources, en termes de temps, fréquence et puissance d’émission, devraient être alloués efficacement. Un modèle pour chaque dimension est calculé pour permettre en particulier aux utilisateurs en bordure de cellule de bénéficier d’un débit plus élevé et d’une meilleure qualité de l’expérience. L’optimisation de tous ces paramètres peut également offrir un gain en consommation d’énergie. Dans cette thèse, nous proposons une solution dynamique polyvalente effectuant une optimisation de l’attachement des mobiles aux stations de base et de l’allocation des ressources dans les réseaux cellulaires LTE maximisant une fonction d’utilité du réseau qui peut être choisie de manière adéquate.Notre solution, basée sur la théorie des jeux, permet de calculer les meilleures valeurs pour l’offset individuelle par cellule (CIO) et pour les niveaux de puissance à appliquer au niveau temporel et fréquentiel pour chaque cellule. Nous présentons des résultats des simulations effectuées pour illustrer le gain de performance important apporté par cette optimisation. Nous obtenons une significative hausse dans le débit moyen et le débit des utilisateurs en bordure de cellule avec 40 % et 55 % de gains respectivement. En outre, on obtient un gain important en énergie. Ce travail aborde des défis pour l’industrie des télécoms et en tant que tel, un prototype de l’optimiseur a été implémenté en se basant sur un trafic HetNets émulé

Auction-based Bandwidth Allocation Mechanisms for Wireless Future Internet

An important aspect of the Future Internet is the efficient utilization of (wireless) network resources. In order for the - demanding in terms of QoS - Future Internet services to be provided, the current trend is evolving towards an "integrated" wireless network access model that enables users to enjoy mobility, seamless access and high quality of service in an all-IP network on an "Anytime, Anywhere" basis. The term "integrated" is used to denote that the Future Internet wireless "last mile" is expected to comprise multiple heterogeneous geographically coexisting wireless networks, each having different capacity and coverage radius. The efficient management of the wireless access network resources is crucial due to their scarcity that renders wireless access a potential bottleneck for the provision of high quality services. In this paper we propose an auction mechanism for allocating the bandwidth of such a network so that efficiency is attained, i.e. social welfare is maximized. In particular, we propose an incentive-compatible, efficient auction-based mechanism of low computational complexity. We define a repeated game to address user utilities and incentives issues. Subsequently, we extend this mechanism so that it can also accommodate multicast sessions. We also analyze the computational complexity and message overhead of the proposed mechanism. We then show how user bids can be replaced from weights generated by the network and transform the auction to a cooperative mechanism capable of prioritizing certain classes of services and emulating DiffServ and time-of-day pricing schemes. The theoretical analysis is complemented by simulations that assess the proposed mechanisms properties and performance. We finally provide some concluding remarks and directions for future research

Gestion dynamique de ressources appliquée aux réseaux cellulaires avec interférence

The aim of this thesis is to design, implement and evaluate practical cross-layer algorithms. We focus on LTE and post-LTE uncoordinated networks where interference is a key issue given the new traffic patterns. The goal is to allocate the radio resources in an efficient way. We develop mathematical and computational interference models that allow us to understand the behavior of such networks and we apply an information-theoretic approach to different interference scenarios and traffic characteristics. We have tried to remain as close as possible to practical systems to be able to test the feasibility of the proposed techniques. The thesis deals with performance evaluation of interference scenarios in 4G networks, in particular those arising from small-cell deployments. The work in this thesis also deals with analysis of resource-allocation and incremental-redundancy based hybrid automatic repeat request (HARQ) for bursty interference (or more general time-varying channels) which allows for only partial channel state information at the transmitter. The work is then applied to practical scheduler design for LTE base stations and includes performance analysis for real LTE modems.L'objectif de cette thèse est de concevoir, implémenter et évaluer les algorithmes cross-layer pratiques. Nous nous concentrons sur la technologie LTE et les réseaux non coordonnés post-LTE où l'interférence est un enjeu majeur compte tenu des nouvelles tendances du trafic. L'objectif est d'allouer les ressources radio d'une manière efficace. Nous développons des modèles d'interférence mathématiques et informatiques qui nous permettent de comprendre le comportement de ces réseaux et nous appliquons une approche basée sur la théorie de l'information à différents scénarios d'interférence et caractéristiques du trafic. Nous avons essayé de s'approcher le plus possible de systèmes réels pour être en mesure de tester la faisabilité des techniques proposées. La thèse porte sur l'évaluation de la performance des scénarios d'interférence dans les réseaux 4G, en particulier celles qui découlent du déploiements de cellules de petite taille ("small cells"). Le travail dans cette thèse s'adresse également à l'analyse de l'allocation des ressources et la requête de répétition automatique hybride (HARQ) à redondance incrémentale pour les interférences sporadiques (de façon plus générale les canaux variables dans le temps) qui permet uniquement des informations partielles de l'état du canal à l'émetteur. Ce travail est ensuite appliquée à la conception d'ordonnanceur pour les stations de base LTE et inclut une analyse de performance pour les modems LTE réels

Conception d'un modèle novateur améliorant la performance dans les réseaux de la sécurité publique sur LTE hétérogènes

Durant les situations d’urgences, la disponibilité des moyens de télécommunications est cruciale et indispensable pour les usagers des réseaux de la Sécurité Publique (PSN). En revanche, durant de tels moments, le besoin en échange d’information croît d’une façon spectaculaire. Par conséquent, l’accès au médium radio devient congestionné très rapidement. Malheureusement, durant ces moments, les ressources dédiées aux réseaux (PSN) ne semblent pas être suffisantes pour satisfaire toutes les requêtes d’établissement des nouveaux bearers. Les réseaux LTE viennent donc contribuer à la résolution de cette problématique, en offrant l’accès à la Radio Commerciale Partagée pour le réseau PSN, avec une certaine priorisation, afin d’améliorer les communications PSN lors des situations d’urgences. Néanmoins, cet accès ne doit pas accaparer toutes les ressources du réseau commercial. De plus, la technologie LTE permet l’utilisation des communications Device-to-Device qui consiste à échanger l’information directement entre les équipements sans avoir à passer par l’eNodeB. Les communications D2D doivent donc être exploitées pour contourner les problèmes de congestion, surtout lors des désastres. Par ailleurs, l’amélioration de la performance des réseaux PSN ne se limite pas dans la gestion efficace des ressources radio. L’allocation des ressources de bande passante au niveau du réseau Backhaul et du réseau coeur LTE doit aussi être améliorée. Dans cette thèse un nouveau modèle novateur a été conçu pour l’amélioration de la performance dans les réseaux de la sécurité publique sur les réseaux LTE hétérogènes. Ce modèle qui compte dix solutions, intervient sur les trois réseaux composant le réseau LTE, à savoir le réseau d’accès, le réseau Backhaul et le réseau coeur LTE. Nos différentes solutions ont toutes été validées par simulations, et ont toutes apporté une amélioration par rapport à aux approches classiques ou par rapport à d’autres approches existantes dans la littérature

Architecture matérielle logicielle pour l'exécution à latence réduite d'applications de télécommunications émergentes sur centre de données

RÉSUMÉ L’industrie des technologies de l’information et des communications fait face à une demande croissante de services sans fil et Internet omniprésents. Cette demande est alimentée par une explosion du nombre d’appareils mobiles riches en multimédia. Il a été estimé qu’à partir de cette année, 2020, le volume de trafic de données mobiles doublera chaque année pour plusieurs années. En conséquence, il en résulte une augmentation significative des dépenses en capital pour les systèmes construits sur les technologies actuelles de réseau d’accès ra-dio qui sont essentiellement basées sur des architectures avec une structure fixe utilisant des plates-formes propriétaires et des mécanismes de contrôle et de gestion de réseau distribués. D’autre part, pour garantir la qualité de service requise, les sous-systèmes sont dimensionnés en fonction des demandes de pointe. Par conséquent, l’extension du réseau aura un impact considérable sur les dépenses d’exploitation. La recherche proposée vise à développer une architecture matérielle et logicielle adaptée à une grappe d’unités de traitement virtualisée pour les signaux en bande de base d’accès radio en nuagique. Ce type d’architecture de-vra prendre en charge le traitement en temps réel avec des processeurs généralistes sur une plateforme hétérogène. Cela soulève deux défis principaux : la planification des tâches en temps réel et leur exécution d’une manière plus déterministe par rapport aux plates-formes généralistes existantes. Ainsi, les mécanismes d’allocation et de gestion des ressources dans les grappes informatiques doivent être revus. Le deuxième défi est d’obtenir un comporte-ment à faible variance qui implique deux préoccupations majeures : le temps de calcul et le délai de communication. Essentiellement, la variation du temps de calcul est inhérente à tous les processeurs généralistes. Néanmoins, l’infrastructure de communication des grappes informatiques existantes ne fournit aucun soutien pour les communications à faible variance. La recherche proposée est divisée en deux principaux sujets : Le calcul dynamique, l’allocation et la gestion des ressources réseau dans une grappeinformatique (hétérogène) : les algorithmes d’allocation dynamique des ressources et de planification des tâches en temps réel formeront la fonctionnalité de base prise en charge par le plan de contrôle. Afin de répondre aux fortes contraintes en temps réel de cette classe d’applications, une implémentation matérielle parallèle basée sur circuit logique programmable (FPGA) du plan de contrôle est proposée.----------ABSTRACT The Information and Communications Technology industry is facing an increasing demand for ubiquitous wireless and Internet services introduced by an explosion of multimedia-rich mobile devices. It is estimated that starting this year, 2020, the volume of mobile data traÿcs will double every year. Consequently, it results in significant increases of capital expenditures for systems built on the current Radio Access Network technologies, which are essentially based on architectures with a fixed structure (not reconfigurable) using proprietary platforms with distributed network control and management mechanisms. To ensure the required quality of service, subsystems are dimensioned with respect to the peak demands. Therefore, network expansion will considerably impact on operating expenditures. This thesis aims at developing an architecture at both hardware and software levels suitable for a virtualized Baseband Processing Unit pool in Cloud Radio Acces Network in order to support real-time processing in a General Purpose Processor based platform. This raises two main challenges: scheduling tasks in real-time and executing them in a manner that is reduces variance compared to the existing General Purpose Processor based platforms. Real-time tasks from radio air interface in the Cloud Radio Access Network must be scheduled at a finer grain and must be completed within a given timeslot. Thus, mechanisms for resource allocation and management in computing clusters must be revisited. The second challenge is obtaining a behavior with reduced variability that involves two major concerns: computing time and communication delay. Nevertheless, the communication infrastructure of existing computing clusters does not provide any support for low variance communications. The proposed research is divided into the following main subjects:Adaptive computing and network resource allocation and management in (hetero-geneous) computing clusters: The algorithms for dynamic resources allocation and real-time task scheduling will form the core functionality that the control plane will support. In order to meet the hard real-time constraints of that class of applications, a parallel Field Programable Gate Array based hardware implementation of the control plane is proposed

Technique d'accès pour la communication machine-à-machine dans LTE/LTE-A

Machine type communications is seen as a form of data communication, among devices and/or from devices to a set of servers, that do not necessarily require human interaction. However, it is challenging to accommodate MTC in LTE as a result of its specific characteristics and requirements. The aim of this thesis is to propose mechanisms and optimize the access layer techniques for MTC in LTE. For uplink access, we propose two methods to improve the performance of random access in terms of latency: a packet aggregation method and a Transmission Time Interval bundling scheme. To further reduce the uplink latency and enable massive number of connected device, we propose a new contention based access method (CBA) to bypass both the redundant signaling in the random access procedure and also the latency of regular scheduling. For downlink reception, we propose two methods to analyze the performance of discontinuous reception DRX mode for MTC applications: the first with the Poisson distribution and the second with the Pareto distribution for sporadic traffic. With the proposed models, the power saving factor and wake up latency can be accurately estimated for a given choice of DRX parameters, thus allowing to select the ones presenting the optimal tradeoff.Les communications de type machine-à-machine M2M sont considérées comme des formes de communication de données qui ne requièrent pas nécessairement d'interaction humaine. Cependant, ce type de communication n'est pas efficace dans les réseaux cellulaires, en raison de leurs caractéristiques spécifiques, telles que. L'objectif de cette thèse est de proposer des mécanismes et d'optimiser les techniques de la couche d'accès radio LTE pour les communications M2M. Pour l'accès au canal de liaison montante, nous proposons deux méthodes afin d'améliorer la performance d'accès aléatoire en terme de latence et de consommation énergétique: une méthode d'agrégation de paquets et une autre de transmission multiple pendant l'intervalle de temps de transmission. Afin de réduire encore plus le temps de latence de liaison montante et permettre une connexion d'un grand nombre de machines au réseau, nous proposons une nouvelle méthode d'accès basée sur la contention CBA pour éviter d'une part la signalisation redondante pour accéder au canal et d'autre part la latence de l'ordonnanceur. Pour la réception de liaison descendante, nous proposons deux méthodes pour analyser les performances du mécanisme de réception discontinu DRX pour les applications M2M: la première se base sur une distribution de Poisson, la suivante sur une distribution Pareto pour le trafic sporadique. Avec les modèles proposés, le facteur d'économie d’énergie et la latence pour transiter du mode sommeil au mode actif peuvent être estimés avec précision pour un choix donné de paramètres DRX, permettant ainsi de sélectionner ceux permettant d'atteindre le compromis optimal

Radio over fiber enabling PON fronthaul in a two-tiered cloud

Avec l’avènement des objets connectés, la bande passante nécessaire dépasse la capacité des interconnections électriques et interface sans fils dans les réseaux d’accès mais aussi dans les réseaux coeurs. Des systèmes photoniques haute capacité situés dans les réseaux d’accès utilisant la technologie radio sur fibre systèmes ont été proposés comme solution dans les réseaux sans fil de 5e générations. Afin de maximiser l’utilisation des ressources des serveurs et des ressources réseau, le cloud computing et des services de stockage sont en cours de déploiement. De cette manière, les ressources centralisées pourraient être diffusées de façon dynamique comme l’utilisateur final le souhaite. Chaque échange nécessitant une synchronisation entre le serveur et son infrastructure, une couche physique optique permet au cloud de supporter la virtualisation des réseaux et de les définir de façon logicielle. Les amplificateurs à semi-conducteurs réflectifs (RSOA) sont une technologie clé au niveau des ONU(unité de communications optiques) dans les réseaux d’accès passif (PON) à fibres. Nous examinons ici la possibilité d’utiliser un RSOA et la technologie radio sur fibre pour transporter des signaux sans fil ainsi qu’un signal numérique sur un PON. La radio sur fibres peut être facilement réalisée grâce à l’insensibilité a la longueur d’onde du RSOA. Le choix de la longueur d’onde pour la couche physique est cependant choisi dans les couches 2/3 du modèle OSI. Les interactions entre la couche physique et la commutation de réseaux peuvent être faites par l’ajout d’un contrôleur SDN pour inclure des gestionnaires de couches optiques. La virtualisation réseau pourrait ainsi bénéficier d’une couche optique flexible grâce des ressources réseau dynamique et adaptée. Dans ce mémoire, nous étudions un système disposant d’une couche physique optique basé sur un RSOA. Celle-ci nous permet de façon simultanée un envoi de signaux sans fil et le transport de signaux numérique au format modulation tout ou rien (OOK) dans un système WDM(multiplexage en longueur d’onde)-PON. Le RSOA a été caractérisé pour montrer sa capacité à gérer une plage dynamique élevée du signal sans fil analogique. Ensuite, les signaux RF et IF du système de fibres sont comparés avec ses avantages et ses inconvénients. Finalement, nous réalisons de façon expérimentale une liaison point à point WDM utilisant la transmission en duplex intégral d’un signal wifi analogique ainsi qu’un signal descendant au format OOK. En introduisant deux mélangeurs RF dans la liaison montante, nous avons résolu le problème d’incompatibilité avec le système sans fil basé sur le TDD (multiplexage en temps duplexé).With the advent of IoT (internet of things) bandwidth requirements triggered by aggregated wireless connections have exceeded the fundamental limitation of copper and microwave based wireless backhaul and fronthaul networks. High capacity photonic fronthaul systems employing radio over fiber technology has been proposed as the ultimate solution for 5G wireless system. To maximize utilization of server and network resources, cloud computing and storage based services are being deployed. In this manner, centralized resources could be dynamically streamed to the end user as requested. Since on demand resource provision requires the orchestration between the server and network infrastructure, a smart photonic (physical layer)PHY enabled cloud is foreseen to support network virtualization and software defined network. RSOAs (Reflective Semiconductor Optical Amplifier) are being investigated as key enablers of the colorless ONU(Optical Network Unit) solution in PON (Passive Optical Network). We examine the use of an RSOA in radio over fiber systems to transport wireless signals over a PON simultaneously with digital data. Radio over fiber systems with flexible wavelength allocation could be achieved thanks to the colorless operation of the RSOA and wavelength reuse technique. The wavelength flexibility in optical PHY are inline with the paradigm of software defined network (SDN) in OSI layer 2/3. The orchestration between optical PHY and network switching fabric could be realized by extending the SDN controller to include optical layer handlers. Network virtualization could also benefit from the flexible optical PHY through dynamic and tailored optical network resource provision. In this thesis, we investigate an optical PHY system based on RSOA enabling both analog wireless signal and digital On-Off Keying (OOK) transportation within WDM (Wavelength Division Multiplexing) PON architecture. The RSOA has been characterized to show its potential ability to handle high dynamic range analog wireless signal. Then the RF and IF radio over fiber scheme is compared with its pros and cons. Finally we perform the experiment to shown a point to point WDM link with full duplex transmission of analog WiFi signal with downlink OOK signal. By introducing two RF mixer in the uplink, we have solved the incompatible problem with TDD (Time Division Duplex) based wireless system