Allocation des ressources dans les environnements informatiques en périphérie des réseaux mobiles

Abstract: The evolution of information technology is increasing the diversity of connected devices and leading to the expansion of new application areas. These applications require ultra-low latency, which cannot be achieved by legacy cloud infrastructures given their distance from users. By placing resources closer to users, the recently developed edge computing paradigm aims to meet the needs of these applications. Edge computing is inspired by cloud computing and extends it to the edge of the network, in proximity to where the data is generated. This paradigm leverages the proximity between the processing infrastructure and the users to ensure ultra-low latency and high data throughput. The aim of this thesis is to improve resource allocation at the network edge to provide an improved quality of service and experience for low-latency applications. For better resource allocation, it is necessary to have reliable knowledge about the resources available at any moment. The first contribution of this thesis is to propose a resource representation to allow the supervisory xentity to acquire information about the resources available to each device. This information is then used by the resource allocation scheme to allocate resources appropriately for the different services. The resource allocation scheme is based on Lyapunov optimization, and it is executed only when resource allocation is required, which reduces the latency and resource consumption on each edge device. The second contribution of this thesis focuses on resource allocation for edge services. The services are created by chaining a set of virtual network functions. Resource allocation for services consists of finding an adequate placement for, routing, and scheduling these virtual network functions. We propose a solution based on game theory and machine learning to find a suitable location and routing for as well as an appropriate scheduling of these functions at the network edge. Finding the location and routing of network functions is formulated as a mean field game solved by iterative Ishikawa-Mann learning. In addition, the scheduling of the network functions on the different edge nodes is formulated as a matching set, which is solved using an improved version of the deferred acceleration algorithm we propose. The third contribution of this thesis is the resource allocation for vehicular services at the edge of the network. In this contribution, the services are migrated and moved to the different infrastructures at the edge to ensure service continuity. Vehicular services are particularly delay sensitive and related mainly to road safety and security. Therefore, the migration of vehicular services is a complex operation. We propose an approach based on deep reinforcement learning to proactively migrate the different services while ensuring their continuity under high mobility constraints.L'évolution des technologies de l'information entraîne la prolifération des dispositifs connectés qui mène à l'exploration de nouveaux champs d'application. Ces applications demandent une latence ultra-faible, qui ne peut être atteinte par les infrastructures en nuage traditionnelles étant donné la distance qui les sépare des utilisateurs. En rapprochant les ressources aux utilisateurs, le paradigme de l'informatique en périphérie, récemment apparu, vise à répondre aux besoins de ces applications. L’informatique en périphérie s'inspire de l’informatique en nuage, en l'étendant à la périphérie du réseau, à proximité de l'endroit où les données sont générées. Ce paradigme tire parti de la proximité entre l'infrastructure de traitement et les utilisateurs pour garantir une latence ultra-faible et un débit élevé des données. L'objectif de cette thèse est l'amélioration de l'allocation des ressources à la périphérie du réseau pour offrir une meilleure qualité de service et expérience pour les applications à faible latence. Pour une meilleure allocation des ressources, il est nécessaire d'avoir une bonne connaissance sur les ressources disponibles à tout moment. La première contribution de cette thèse consiste en la proposition d'une représentation des ressources pour permettre à l'entité de supervision d'acquérir des informations sur les ressources disponibles à chaque dispositif. Ces informations sont ensuite exploitées par le schéma d'allocation des ressources afin d'allouer les ressources de manière appropriée pour les différents services. Le schéma d'allocation des ressources est basé sur l'optimisation de Lyapunov, et il n'est exécuté que lorsque l'allocation des ressources est requise, ce qui réduit la latence et la consommation en ressources sur chaque équipement de périphérie. La deuxième contribution de cette thèse porte sur l'allocation des ressources pour les services en périphérie. Les services sont composés par le chaînage d'un ensemble de fonctions réseau virtuelles. L'allocation des ressources pour les services consiste en la recherche d'un placement, d'un routage et d'un ordonnancement adéquat de ces fonctions réseau virtuelles. Nous proposons une solution basée sur la théorie des jeux et sur l'apprentissage automatique pour trouver un emplacement et routage convenable ainsi qu'un ordonnancement approprié de ces fonctions en périphérie du réseau. La troisième contribution de cette thèse consiste en l'allocation des ressources pour les services véhiculaires en périphérie du réseau. Dans cette contribution, les services sont migrés et déplacés sur les différentes infrastructures en périphérie pour assurer la continuité des services. Les services véhiculaires sont en particulier sensibles à la latence et liés principalement à la sûreté et à la sécurité routière. En conséquence, la migration des services véhiculaires constitue une opération complexe. Nous proposons une approche basée sur l'apprentissage par renforcement profond pour migrer de manière proactive les différents services tout en assurant leur continuité sous les contraintes de mobilité élevée

A Dynamic Partial Computation Offloading for the Metaverse in In-Network Computing

The In-Network Computing (COIN) paradigm is a promising solution that leverages unused network resources to perform some tasks to meet up with computation-demanding applications, such as metaverse. In this vein, we consider the metaverse partial computation offloading problem for multiple subtasks in a COIN environment to minimise energy consumption and delay while dynamically adjusting the offloading policy based on the changing computation resources status. We prove that the problem is NP and thus transformed it into two subproblems: task splitting problem (TSP) on the user side and task offloading problem (TOP) on the COIN side. We modelled the TSP as an ordinal potential game (OPG) and proposed a decentralised algorithm to obtain its Nash Equilibrium (NE). Then, we model the TOP as Markov Decision Process (MDP) proposed double deep Q-network (DDQN) to solve for the optimal offloading policy. Unlike the conventional DDQN algorithm, where intelligent agents sample offloading decisions randomly within a certain probability, our COIN agent explores the NE of the TSP and the deep neural network. Finally, simulation results show that our proposed model approach allows the COIN agent to update its policies and make more informed decisions, leading to improved performance over time compared to the traditional baseline.Comment: 14 pages, 9 figure