Gestion conjointe de ressources de communication et de calcul pour les réseaux sans fils à base de cloud

par Jessica Oueis

Thèse de doctorat en Informatique

Le président du jury était Josep Vidal.

Le jury était composé de Valerio Frascolla.

Les rapporteurs étaient Kei Sakaguchi.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur le paradigme « Mobile Edge cloud» qui rapproche le cloud des utilisateurs mobiles et qui déploie une architecture de clouds locaux dans les terminaisons du réseau. Les utilisateurs mobiles peuvent désormais décharger leurs tâches de calcul pour qu’elles soient exécutées par les femto-cellules (FCs) dotées de capacités de calcul et de stockage. Nous proposons ainsi un concept de regroupement de FCs dans des clusters de calculs qui participeront aux calculs des tâches déchargées. A cet effet, nous proposons, dans un premier temps, un algorithme de décision de déportation de tâches vers le cloud, nommé SM-POD. Cet algorithme prend en compte les caractéristiques des tâches de calculs, des ressources de l’équipement mobile, et de la qualité des liens de transmission. SM-POD consiste en une série de classifications successives aboutissant à une décision de calcul local, ou de déportation de l’exécution dans le cloud.Dans un deuxième temps, nous abordons le problème de formation de clusters de calcul à mono-utilisateur et à utilisateurs multiples. Nous formulons le problème d’optimisation relatif qui considère l’allocation conjointe des ressources de calculs et de communication, et la distribution de la charge de calcul sur les FCs participant au cluster. Nous proposons également une stratégie d’éparpillement, dans laquelle l’efficacité énergétique du système est améliorée au prix de la latence de calcul. Dans le cas d’utilisateurs multiples, le problème d’optimisation d’allocation conjointe de ressources n’est pas convexe. Afin de le résoudre, nous proposons une reformulation convexe du problème équivalente à la première puis nous proposons deux algorithmes heuristiques dans le but d’avoir un algorithme de formation de cluster à complexité réduite. L’idée principale du premier est l’ordonnancement des tâches de calculs sur les FCs qui les reçoivent. Les ressources de calculs sont ainsi allouées localement au niveau de la FC. Les tâches ne pouvant pas être exécutées sont, quant à elles, envoyées à une unité de contrôle (SCM) responsable de la formation des clusters de calculs et de leur exécution. Le second algorithme proposé est itératif et consiste en une formation de cluster au niveau des FCs ne tenant pas compte de la présence d’autres demandes de calculs dans le réseau. Les propositions de cluster sont envoyées au SCM qui évalue la distribution des charges sur les différentes FCs. Le SCM signale tout abus de charges pour que les FCs redistribuent leur excès dans des cellules moins chargées.Dans la dernière partie de la thèse, nous proposons un nouveau concept de mise en cache des calculs dans l’Edge cloud. Afin de réduire la latence et la consommation énergétique des clusters de calculs, nous proposons la mise en cache de calculs populaires pour empêcher leur réexécution. Ici, notre contribution est double : d’abord, nous proposons un algorithme de mise en cache basé, non seulement sur la popularité des tâches de calculs, mais aussi sur les tailles et les capacités de calculs demandés, et la connectivité des FCs dans le réseau. L’algorithme proposé identifie les tâches aboutissant à des économies d’énergie et de temps plus importantes lorsqu’elles sont téléchargées d’un cache au lieu d’être recalculées. Nous proposons ensuite d’exploiter la relation entre la popularité des tâches et la probabilité de leur mise en cache, pour localiser les emplacements potentiels de leurs copies. La méthode proposée est basée sur ces emplacements, et permet de former des clusters de recherche de taille réduite tout en garantissant de retrouver une copie en cache.

  • Titre traduit

    Joint communication and computation resources allocation for cloud-empowered future wireless networks


  • Résumé

    Mobile Edge Cloud brings the cloud closer to mobile users by moving the cloud computational efforts from the internet to the mobile edge. We adopt a local mobile edge cloud computing architecture, where small cells are empowered with computational and storage capacities. Mobile users’ offloaded computational tasks are executed at the cloud-enabled small cells. We propose the concept of small cells clustering for mobile edge computing, where small cells cooperate in order to execute offloaded computational tasks. A first contribution of this thesis is the design of a multi-parameter computation offloading decision algorithm, SM-POD. The proposed algorithm consists of a series of low complexity successive and nested classifications of computational tasks at the mobile side, leading to local computation, or offloading to the cloud. To reach the offloading decision, SM-POD jointly considers computational tasks, handsets, and communication channel parameters. In the second part of this thesis, we tackle the problem of small cell clusters set up for mobile edge cloud computing for both single-user and multi-user cases. The clustering problem is formulated as an optimization that jointly optimizes the computational and communication resource allocation, and the computational load distribution on the small cells participating in the computation cluster. We propose a cluster sparsification strategy, where we trade cluster latency for higher system energy efficiency. In the multi-user case, the optimization problem is not convex. In order to compute a clustering solution, we propose a convex reformulation of the problem, and we prove that both problems are equivalent. With the goal of finding a lower complexity clustering solution, we propose two heuristic small cells clustering algorithms. The first algorithm is based on resource allocation on the serving small cells where tasks are received, as a first step. Then, in a second step, unserved tasks are sent to a small cell managing unit (SCM) that sets up computational clusters for the execution of these tasks. The main idea of this algorithm is task scheduling at both serving small cells, and SCM sides for higher resource allocation efficiency. The second proposed heuristic is an iterative approach in which serving small cells compute their desired clusters, without considering the presence of other users, and send their cluster parameters to the SCM. SCM then checks for excess of resource allocation at any of the network small cells. SCM reports any load excess to serving small cells that re-distribute this load on less loaded small cells. In the final part of this thesis, we propose the concept of computation caching for edge cloud computing. With the aim of reducing the edge cloud computing latency and energy consumption, we propose caching popular computational tasks for preventing their re-execution. Our contribution here is two-fold: first, we propose a caching algorithm that is based on requests popularity, computation size, required computational capacity, and small cells connectivity. This algorithm identifies requests that, if cached and downloaded instead of being re-computed, will increase the computation caching energy and latency savings. Second, we propose a method for setting up a search small cells cluster for finding a cached copy of the requests computation. The clustering policy exploits the relationship between tasks popularity and their probability of being cached, in order to identify possible locations of the cached copy. The proposed method reduces the search cluster size while guaranteeing a minimum cache hit probability.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Service Interétablissement de Documentation. LLSH Collections numériques.
  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation. STM. Collections numériques.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.