Resources allocation in high mobility scenarios of LTE networks

par Jean-Thierry Stephen Avocanh

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Jalel Ben Othman et de Marwen Abdennebi.

Le jury était composé de Nadia Lynda Mokdad, Karim Djouani, Boubaker Daachi.

Les rapporteurs étaient Samir Tohmé, Hacène Fouchal.

  • Titre traduit

    Allocation de ressources radio dans les réseaux LTE à forte mobilité


  • Résumé

    Cette étude porte sur l’allocation de ressources radio dans les réseaux LTE à forte mobilité. En particulier, il s’agit de concevoir des stratégies d’allocation de ressources capables d’améliorer la qualité de service des flux multimédia dans un contexte de forte mobilité des terminaux. Pour atteindre ces objectifs, l’étude a été menée en deux étapes. Dans un premier temps les travaux se sont déroulés dans un contexte où l’aspect forte mobilité n’a pas été pris en compte. Cela a permis de bien maitriser tous les aspects liés à l’allocation de ressources dans le LTE tout en proposant de nouvelles méthodes meilleures que celles existantes. Une fois cette tâche accomplie, l’aspect forte mobilité a été ajouté au problème et des stratégies adaptées à ce contexte ont été proposées. Néanmoins, dû aux différences entre les liens montants et descendants, l’étude a été menée dans les deux directions. Comme première contribution, nous avons conçu deux stratégies pour améliorer l’allocation de ressources sur la liaison descendante dans un contexte où la forte mobilité n’a pas été prise en compte. La première méthode est un mécanisme qui améliore cette allocation en particulier dans les scénarios d’overbooking en faisant un compromis entre l’équité, le débit global du système et les exigences de qualité de service des applications. La seconde stratégie permet non seulement de satisfaire aux contraintes de délais mais également de garantir un très faible taux de perte de paquets aux services de type multimédias. Les performances des systèmes proposés ont été évaluées par des simulations en les comparant à d’autres mécanismes dans la littérature. Les analyses ont démontré leur efficacité et révélé qu’elles obtenaient les meilleures performances. Notre deuxième contribution a permis d’améliorer l’allocation de ressources toujours dans un contexte de non prise en compte de la forte mobilité, mais cette fois ci sur le lien montant et pour des flux de type vidéo téléphonie. Nous avons conçu un nouveau protocole qui réduit de façon considérable les retards causés par l’allocation dynamique des ressources. L’idée consiste à allouer des ressources à ces trafics en utilisant une stratégie semi-persistante associée à un processus de pré-allocation. Les performances de notre méthode ont été évaluées par simulations et les résultats ont montré qu’elle fournissait le meilleur support en qualité de service. La dernière partie de nos travaux s’est intéressée au problème d’allocation de ressources dans les scénarios de fortes mobilités des terminaux. Dans cette partie, nous avons élaboré deux stratégies efficaces convenant aux scénarios véhiculaires. La première méthode est une technique permettant de maintenir le niveau de qualité de service nécessaire pour le bon fonctionnement des applications vidéo des utilisateurs ayant les vitesses les plus élevées. Elle consiste à déterminer en fonction des différentes vitesses des utilisateurs, le taux minimum de rapports CQI à envoyer à la station de base. Quant à la seconde stratégie, c’est un procédé d’ordonnancement opportuniste qui améliore la qualité de service des applications vidéo des utilisateurs ayant les vitesses les plus élevées. Avec cette stratégie, ces utilisateurs obtiennent une plus grande priorité et acquièrent ainsi beaucoup plus de ressources.


  • Résumé

    Abstract Our thesis focuses on issues related to resources allocation in LTE Networks. In particular the purpose of this study is to design efficient scheduling algorithms to improve the QoS of real time flows in a context of high mobility of the users. To reach this goal, the study has been carried out in two steps. At first, in order to have an expert knowledge of the key facets of LTE scheduling, we conducted the study in a context where the high mobility aspect of the node was not taken into account. This helped not only to critically analyze the literature but also to propose new schemes to improve QoS of real time applications. After that, the high mobility parameter has been added and innovative methods dealing with this context have been designed. Nevertheless due to the existing differences between the downlink and the uplink, the issue was tackled in each of the aforementioned directions. We firstly addressed the problem of improving the scheduling of downlink communications in a context where the high mobility was not taken into account. Two major methods have been designed for this purpose. The first one is an innovative scheme which improves resources assignment in overbooking scenarios by doing a trade-off between fairness, overall system through put and QoS requirements. The second one is an enhanced scheduling scheme which provides strict delay bounds and guarantees very low packet loss rate to multimedia flows. The performance of the proposed schemes have been evaluated by simulations and compared to other schemes in the literature. The analyses demonstrated their effectiveness and showed that they outperformed the existing ones. The second contribution concerned the problem of improving the scheduling of uplink communications in a context where the high mobility was not taken into account. We designed a novel scheduling protocol which improves resources allocation for videotelephony flows and reduces the delay caused by dynamic scheduling. It consists in scheduling such traffics using a semi-persistent strategy associated with a provisioning process. The performance of our proposed method have been evaluated by simulations and results demonstrated its effectiveness by showing that it improved videotelephony flows performance and provided the best QoS support compared to the dynamic scheduling.The last contribution addressed the problem of resources allocation in high mobility scenarios. In this part, the high mobility aspect was taken into account for designing suitable schemes for vehicular scenarios. We proposed in this way two efficient strategies. The first one is a technique which maintains the required level of QoS for supporting video users at high velocities. It consists in identifying depending on the UEs velocity, the minimum CQI reports rate in order to maintain the required QoS. The second proposed strategy is an opportunistic method which improves the performance of high speed video users. With this strategy, more priority are given to the UEs having the highest velocity. Simulations results demonstrated its effectiveness and showed that it improved the QoS support of video users having the highest velocity.


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