GeRoFan : une architecture et un plan de contrôle basés sur la radio-sur-fibre pour la mutualisation des réseaux d'accès mobile de nouvelle génération

GeRoFAN : an architecture and a control plane based on radio-over-fiber for the mutualization of next generation radio mobile backhaul

• Auteur / Autrice : Ahmed Haddad
• Direction : Maurice Gagnaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et réseaux
• Date : Soutenance le 26/04/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENST
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Leonid Kazovsky
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Kazmierski, Joël Mau, Gérard Pogorel, Richard Toper
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Leonid Kazovsky, Josep Prat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux d'ordinateurs -- Accès à distance

Systèmes virtuels (informatique)

Fibres optiques

Mots clés libres

Fédération des réseaux d'accès

Radio sur fibre analogique

Virtualisation des radiofréquences

Etude technico-économique

Mobile backhauling

Analog radio over fiber

Radio frequency virtualization

Backhaul techno-economics

Résumé

L’architecture actuelle des réseaux d’accès radio n’est pas adaptée en terme de capacité à supporter l’accroissement continu du trafic dans les systèmes cellulaires 4G et au-delà. L’objectif de cette thèse est de proposer une architecture réseau générique, GeRoFAN (Generic Radio over Fiber Access Network) pour la fédération des stations de base des systèmes cellulaires de nouvelle génération (WiMAX, 4G LTE). Deux innovations technologiques majeures sont utilisées pour l’implémentation de l’architecture GeRoFAN: la radio-sur-fibre (RoF) et les modulateurs réflexifs éléctro-absorbants. La thèse vise aussi à concevoir pour l’architecture GeRoFAN un plan contrôle et un canal de signalisation adapté permettant le basculement des ressources radio, selon la fluctuation du trafic, entre un grand nombre de cellules réparties à l’échelle métropolitaine. Cependant, il a été bien avéré que la transmission optique de plusieurs canaux radios en utilisant la RoF analogique est assujettie à des multiples facteurs de dégradation physique altérant la qualité du signal de ces canaux et induisant une perte dans leur capacité de Shannon. L’originalité du plan de contrôle de GeRoFAN est de réaliser une affectation optimisée des canaux radios sur les porteuses optiques, grace au multiplexage par sous-porteuse (SCM), afin d’ajuster la capacité de Shannon dans chaque cellule radio à la charge de trafic à laquelle elle est soumise. A cet effet, une connaissance fine des contraintes physiques de la transmission RoF est requise pour le plan de contrôle. Cette connaissance est acquise par l’élaboration d’un modèle analytique des divers bruits de transmission du système GeRoFAN. Contrairement à des propositions comparables, le plan contrôle de GeRoFAN se doit d’être le plus transparent que possible à la technologie des systèmes radio concernés. Sa nature " MAC radio agnostique " vise à permettre, grâce au multiplexage en longueur d’onde et au routage optique WDM, la fédération de plusieurs opérateurs utilisant différentes technologies radio sur la même infrastructure. Plus généralement, avec la mutualisation de l’architecture GeRoFAN, le plan de contrôle permet de virtualiser les ressources radiofréquences et de promouvoir de nouveaux modèles économiques pour les opérateurs Télécoms. Le dernier volet de la thèse se focalise sur la valeur "business" du paradigme GeRoFAN. Les contours du nouveau éco-system d’affaire promu par GeRoFAN sont définis. Les motivations/attentes des différentes parties prenantes dans cet éco-system sont esquissées, les contraintes réglementaires et organisationnelles soulevées sont adressées afin d’assurer un déploiement sans heurts de GeRoFAN. Bien qu’exigeant un nouveau modèle réglementaire, il s’agit de mettre en évidence l’intérêt économique de la solution GeRoFAN, tout particulièrement en comparaison à la RoF digitale, à travers des études technico-économiques chiffrant les couts d’investissement (CapEx), les couts opérationnels (OpEx) et les possibles retours sur investissement. A cet effet, deux modèles économiques sont proposés mettant en évidence la valeur ajoutée de GeRoFAN tout au long de la chaine de valeur.

Current radio access networks architectures are not suited in terms of capacity and backhauling capabilities to fit the continuing traffic increase of 4G cellular systems. The objective of the thesis is to propose an innovative and generic mobile backhauling network architecture, called GeRoFAN (Generic Radio-over-Fiber Access Network), for next generation mobile systems (WiMAX, 4G LTE). Two major technological innovations are used to implement GeRo-FAN: analog Radio-over-Fiber (RoF) and reflective amplified absorption modulators. The aim of this thesis is to design for such an architecture an original Control Plane (CP) and a signaling channel enabling to balance radio resources between a set of neighboring cells at the access/metropolitan scale according to traffic fluctuations. The transmission of several radio frequencies by means of an analog RoF link suffers from several impairments that may degrade the capacity of the radio system. The originality of the GeRoFAN-CP consists in mapping radio frequencies with optical carriers by means of Sub-Carrier Multiplexing (SCM) in order to optimize the Shannon’s capacity within the various cells covered by the system according to the current traffic load. For that purpose, a deep analysis and modeling of the various physical layer impairments impacting the quality of the radio signal is carried out. Unlike comparable approaches, the GeRoFAN-CP is as independent as possible from the radio layer protocols. Thus, the "radio MAC-agnostic" nature of the GeRoFAN-CP enables to federate multiple operators using different radio technologies onto the same backhauling optical infrastructure. Subcarrier and wavelength division multiplexing (SCM/WDM) as well as WDM optical routing capabilities are exploited onto the GeRoFAN transparent architecture. More globally, the GeRoFAN-CP enables a form of "radio frequency virtualization" while promoting new business models for Telecom service providers. The last part of the thesis focuses on the business value of the GeRoFAN paradigm. The expectations of the different stake-holders and main regulatory/organizational entities that could be involved in the deployment of GeRoFAN infrastructures should be addressed in order to achieve a smooth deployment of this new type of mobile backhauling. Economics of the GeRoFAN architecture are investigated in terms of OpEx/CapEx valuation and investment profitability, especially in reference to digitized RoF. Two business models are then proposed to study how GeRoFAN contributes to enriching the cellular backhauling service value chain.