Virtualisation des fonctions d'un Cloud Radio Access Network(C-RAN)

par Tarek Rabia

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Guy Pujolle.

Soutenue le 29-01-2018

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Paris 6 (laboratoire) .

Le président du jury était Noëmie Simoni.

Le jury était composé de Prosper Chemouil, Stefano Secci, Mathieu Bouet, Othmen Braham.

Les rapporteurs étaient Rami Langar, Nadjib Achir.


  • Résumé

    La nouvelle génération de réseaux mobiles (5G) devrait faire face, durant les cinq prochaines années, à une importante croissance du volume de données, échangé entre plusieurs milliards d'objets et d'applications connectés. En outre, l'émergence de nouvelles technologies, telles que Internet of Things (IoT), conduite autonome et réalité augmentée, impose de plus fortes contraintes de performance et de qualité de service (QoS). Répondre aux besoins cités, tout en réduisant les dépenses d'investissement et d'exploitation (CAPEX/OPEX), sont les objectifs poursuivis par les opérateurs télécom, qui ont défini une nouvelle architecture d'accès radio, appelée Cloud Radio Access Network (C-RAN). Le principe du C-RAN est de centraliser, au sein d'un pool, les parties de traitement, BaseBand Unit (BBU), d'un RAN traditionnel. Les BBU sont alors dissociées de la station de base et de la partie radio, Remote Radio Unit (RRU). Ces deux parties restent néanmoins connectées à travers un réseau intermédiaire appelé Fronthaul (FH). Dans cette thèse, nous allons concevoir une nouvelle architecture C-RAN partiellement centralisée qui intègrera une plateforme de virtualisation basée sur un environnement Xen, nommée " Metamorphic Network " (MNet). A travers cette architecture, nous viserons à : i) mettre en place un pool, dans lequel des ressources physiques (processeurs, mémoire, ports réseaux, etc.) seront partagées entre des BBU virtualisées et d'autres applications, ii) établir un réseau FH ouvert aux fournisseurs de services et aux tierces parties, facilitant ainsi le déploiement des services au plus près des utilisateurs, pour une meilleure qualité d'expérience, iii) exploiter, à travers le FH, les infrastructures Ethernet existantes pour réduire les CAPEX/OPEX et enfin, iv) atteindre les performances réseau préconisées pour la 5G. Dans la première contribution, nous allons définir une nouvelle architecture Xen pour la plateforme MNet, intégrant le framework de packet processing, OpenDataPlane (ODP), au sein d’un domaine Xen privilégié, nommé « Driver Domain ». Notre objectif, à travers cette architecture, est d’accélérer le traitement des paquets de données transitant par MNet, en évitant la surutilisation, par ODP, des cœurs du processeur physique (CPU) de la plateforme. Pour cela, des cœurs CPU virtuels (vCPU) seront alloués dans le Driver Domain pour être exploités durant le traitement des paquets par ODP. Cette nouvelle plateforme MNet servira de base pour notre architecture C-RAN. Dans la seconde contribution, nous allons implémenter, au sein du FH, deux solutions réseau. La première solution, consistera à déployer le réseau de couche 2, Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL), pour connecter les différents éléments de notre architecture C-RAN. La seconde solution, consistera à déployer un réseau Software Defined Network (SDN), géré par le contrôleur distribué ONOS, qui sera virtualisé dans le pool BBU. Une comparaison des performances réseau sera réalisée entre ces deux solutions.

  • Titre traduit

    Virtualization of a Cloud Radio Access Network (C-RAN) functions


  • Résumé

    Over the next five years, the new generation of mobile networks (5G) would face a significant growth of the data volume, exchanged between billions of connected objects and applications. Furthermore, the emergence of new technologies, such as Internet of Things (IoT), autonomous driving and augmented reality, imposes higher performance and quality of service (QoS) requirements. Meeting these requirements, while reducing the Capital and Operation Expenditures (CAPEX/OPEX), are the pursued goals of the mobile operators. Consequently, Telcos define a new radio access architecture, called Cloud Radio Access Network (C-RAN). The C-RAN principle is to centralize, within a pool, the processing unit of a radio interface, named BaseBand Unit (BBU). These two units are interconnected through a Fronthaul (FH) network. In this thesis, we design a new partially centralized C-RAN architecture that integrates a virtualization platform, based on a Xen environment, called Metamorphic Network (MNet). Through this architecture, we aim to: i) implement a pool in which physical resources (processors, memory, network ports, etc.) are shared between virtualized BBUs and other applications; ii) establish an open FH network that can be used by multiple operators, service providers and third parties to deploy their services and Apps closer to the users for a better Quality of Experience (QoE); iii) exploit, through the FH, the existing Ethernet infrastructures to reduce CAPEX/OPEX; and finally iv) provide the recommended network performance for the 5G. In the first contribution, we define a new Xen architecture for the MNet platform integrating the packet-processing framework, OpenDataPlane (ODP), within a privileged Xen domain, called Driver Domain (DD). This new architecture accelerates the data packet processing within MNet, while avoiding the physical CPUs overuse by ODP. Thus, virtual CPU cores (vCPU) are allocated within DD and are used by ODP to accelerate the packet processing. This new Xen architecture improves the MNet platform by 15%. In the second contribution, we implement two network solutions within the FH. The first solution consist of deploying a layer 2 network protocol, Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL), to connect multiple elements of our C-RAN architecture. The second solution consists of implementing a Software Defined Network (SDN) model managed by Open Network Operating System (ONOS), a distributed SDN controller that is which is virtualized within BBU pool. Moreover, a network performance comparison is performed between these two solutions.


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