Algorithmes adaptatifs et efficaces de partage de ressources radio pour les communications de type MTC : cas de coexistence H2H/M2M

par Safa Hamdoun

Thèse de doctorat en Informatique

Soutenue le 27-06-2017

à Paris Est , dans le cadre de ?cole doctorale Math?matiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (laboratoire) et de Laboratoire d'Informatique Gaspard-Monge / LIGM (laboratoire) .

Le président du jury était Marcelo Dias De Amorim.

Le jury était composé de V?ronique V?que, Tijani Chahed, J?r?mie Leguay, Jean-Marie Bonnin.

Les rapporteurs étaient Fabrice Valois, Nadia Boukhatem.


  • Résumé

    L'Internet des objets (IoT) fait r?f?rence ? la croissance continue des r?seaux d'objets du quotidien qui s'interconnectent entre eux ou avec d'autres syst?mes Internet via les capteurs sans fil qui y sont attach?s. L'IoT promet un futur o? des milliards de terminaux intelligents seront connect?s et g?r?s via une gamme de r?seaux de communication et de serveurs bas?s dans le cloud, permettant ainsi l'apparition d'un large spectre d?applications de surveillance et de contr?le. Les communications machine-?-machine (M2M), ?galement connues sous le nom de ?Machine-Type-Communication? (MTC) par les r?seaux cellulaires, constituent une technologie cl? permettant d'activer partiellement l'IoT. Les communications M2M sont un nouveau paradigme qui facilite la connectivit? omnipr?sente entre une myriade de dispositifs sans ou avec intervention humaine limit?e. La demande croissante de connectivit? a mis au d?fi les op?rateurs de r?seau ? concevoir de nouveaux algorithmes d'allocation de ressources radio pour g?rer l'?chelle massive des communications MTC.Contrairement aux technologies d'acc?s radio traditionnelles, adapt?es aux communications usuelles, dites de humain-?-humain (H2H), l'objectif de cette th?se est de d?velopper de nouvelles techniques de partage de ressources radio efficaces et adaptatives pour les MTC dans un sc?nario de coexistence H2H/M2M. Dans le cadre de cette th?se, notre premi?re contribution consiste en la proposition d'un syst?me d'acc?s multiple adapt? pour r?soudre ? la fois les probl?mes li?s ? la raret? des ressources radio, ? la scalabilit? et ? la surcharge de la station de base (BS). ? cette fin, nous proposons de d?composer les op?rations de communication en les groupant. Ainsi, les MTC correspondent ? des communications locales en liaison montante entre des dispositifs connus sous le nom de ?Machine-Type-Device? (MTD), et un cluster head appel? ?Machine-Type- Head? (MTH). Nous examinons ainsi la n?cessit? d'agr?ger la technologie M2M et le ?dispositif-?-dispositif? (D2D), consid?r? comme composante majeure des r?seaux cellulaires ?volutifs du futur. Nous mod?lisons le probl?me de partage de ressources radio entre les MTDs et les utilisateurs H2H sous la forme d?un graphe biparti et d?veloppons un algorithme de partage de ressources radio pour MTC bas? sur les graphes afin d?att?nuer les interf?rences co-canal et donc am?liorer l'efficacit? du r?seau. En outre, une solution semi-distribu?e de faible complexit? est d?velopp?e pour att?nuer la surcharge de communication d'une solution centralis?e que nous proposons ?galement. Ensuite, dans une deuxi?me contribution de cette th?se, nous nous int?ressons ? examiner comment les dispositifs M2M peuvent partager les ressources radio disponibles sans pour autant d?grader les performances des applications H2H. Par cons?quent, nous proposons un syst?me de partage de ressources efficace en terme de spectre et de puissance. Nous introduisons ? l'algorithme de partage de ressources radio bas? sur les graphes une fonction adaptative de contr?le de puissance utilisant l'un des deux m?canismes suivants : un contr?leur proportionnel int?gral d?riv? (PID) et la logique floue. Enfin, comme troisi?me contribution de cette th?se, nous d?veloppons un syst?me de partage de ressources radio efficace en terme de puissance et enti?rement distribu? pour les MTC. Nous utilisons la th?orie des jeux et mod?lisons le probl?me de partage de ressources par un jeu hybride o? les dispositifs M2M rivalisent pour les ressources radio et basculent de fa?on opportuniste entre un jeu non-coop?ratif et un jeu coop?ratif. Une ?valuation des performances des solutions d?riv?es dans le contexte des r?seaux LTE est men?e. Les r?sultats des simulations montrent que les solutions propos?es ont un impact significatif sur la maximisation de l'efficacit? de l'utilisation du spectre, l'att?nuation de l'effet n?gatif sur les services H2H et la prolongation de la dur?e de vie des batteries des MTDs

  • Titre traduit

    Adaptive and efficient radio resource sharing schemes for machine type communications underlying cellular networks


  • Résumé

    The Internet-of-Things (IoT) refers to the ever-growing network of everyday objects that interconnect to each other or to other Internet-enabled systems via wireless sensors attached to them. IoT envisions a future where billions of smart devices will be connected and managed through a range of communication networks and cloud-based servers, enabling a variety of monitoring and control applications. Machine-to-Machine (M2M) communications supported by cellular networks, also known as Machine-Type-Communications (MTC) acts as a key technology for partially enabling IoT. M2M communications is a new technology paradigm that facilitates the ubiquitous connectivity between a myriad of devices without requiring human intervention. The surge in the demand for connectivity has further challenged network operators to design novel radio resource allocation algorithms at affordable costs to handle the massive scale of MTC.Different from current radio access technologies tailored to traditional Human- to-Human (H2H) communications, the goal of this thesis is to provide novel efficient and adaptive radio resource sharing schemes for MTC under a H2H/M2M coexistence scenario. We first provide a suitable multiple access scheme to address the joint spectrum scarcity, scalability and Base Station (BS) overload issues. Toward this end, we design a group-based operation where MTC corresponds to local uplink communications between Machine-Type-Devices (MTDs), which represent a specific type of devices that do not rely on the presence of a human interface, and a Machine-Type-Head (MTH). This latter plays the role of a cluster head that relays the information to the BS. We thus address the need to aggregate M2M and Device-to-Device (D2D) technology, as one of the major components of the future evolving cellular networks. Having said that, we first propose in this thesis to model the radio resource sharing problem between MTDs and H2H users as a bipartite graph and develop a novel interference-aware graph-based radio resource sharing algorithm for MTC so as to mitigate the co-channel interference and thus enhance network efficiency. Moreover, low-complexity semi-distributed solution is investigated to alleviate the communication overhead of a centralized solution that we propose as well. Then, as a second contribution, we examine how M2M devices can share the available radio resources in cellular networks with no or limited impact on existing H2H services. Consequently, we propose a joint spectrally and power efficient radio resource sharing scheme. Convinced by the strength of the bipartite graph modeling for the resource sharing problem between H2H users and M2M devices, we empower the graph-based radio resource sharing algorithm with a novel adaptive power control feature using one of two following mechanisms: the Proportional Integral Derivative (PID) controller and the fuzzy logic. Finally, in our third contribution of this thesis, we develop a power efficient and fully-distributed radio resource sharing framework for MTC underlying cellular networks. We use game theory and model the resource sharing problem as an efficient hybrid-game where M2M devices compete for radio resources and switch opportunistically, as M2M devices are selfish in nature, between non-cooperative and cooperative games. The different derived solutions are extended to existing cellular networks, and extensive simulation studies in the context of LTE are conducted. The various simulation results show that the proposed solutions can significantly increase the efficiency of the spectrum usage, mitigate the negative effect on H2H services and save the battery life of M2M devices


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