Cross-layer congestion control and quality of services in mobile networks

par Zhenzhe Zhong

Thèse de doctorat en Informatique, données, IA

Sous la direction de Ahmed Serhrouchni et de Rida Khatoun.

Soutenue le 15-07-2020

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec Télécom Paris (Palaiseau) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Maria Isabel Amigo.

Le jury était composé de Ahmed Serhrouchni, Rida Khatoun, Pascal Lorenz, Lyes Khoukhi, Stéphane Tuffin, Dominique Gaïti.

Les rapporteurs étaient Pascal Lorenz, Lyes Khoukhi.

  • Titre traduit

    Contrôle de congestion "cross-layer" et qualité de service dans les réseaux mobiles


  • Résumé

    Le réseau mobile est un réseau hybride avec une partie d’accès radio et le réseau central de liaison fixe. Les algorithmes de contrôle de congestion (CCA) conçus pour un type de système spécifique peuvent ne pas fonctionner aussi bien dans l’autre type de réseau, en particulier le réseau avec un dispositif de fonctionnalité hybride comme le réseau de périphérie mobile. Généralement, le goulot d’étranglement dans un réseau mobile est la partie accès radio. Cependant, ce n’est pas toujours le cas puisque plusieurs stations de base radio ou passerelle de réseau de livraison de paquets peuvent partager le même goulot d’étranglement dans le backhaul de livraison de paquets. Dans cette thèse, nous partons d’une méthode cross-layer et abordons le problème avec une solution omniprésente. Le premier algorithme que nous avons analysé est appelé CQIC, qui implique la couche PHY de l’UE dans la conception du contrôle de la congestion. Une amélioration du scénario 3G CQIC au scénario LTE est proposée sous le nom de DCIC. Cet algorithme utilise l’indicateur de commande de liaison descendante (DCI) au lieu de l’indicateur de qualité de canal (CQI) pour économiser la puissance de calcul sur l’UE et prendre en compte le résultat de la planification d’eNB. En outre, nous avons évalué l’algorithme BBR actuel, qui se concentre sur le réseau du centre de données, dans le scénario mobile. La plupart des CCA conventionnels ne prennent pas en compte la dégradation du BW de liaison montante et les autres caractéristiques du système cellulaire dans sa méthode d’estimation de la largeur de bande. Sur la base de cet examen, nous avons proposé les cinq objectifs de compromis pour guider la conception de l’ACC dans un type de réseau hybride mobile: utilisation de la bande passante, délai (où la perte est l’expression extrême du retard), équité, simplicité et généricité. Sur la base des compromis et des objectifs, nous avons proposé le CDBE, une estimation de la bande passante pilotée par le client TCP (CDBE) et une boucle de rétroaction de rapport. La méthode d’estimation BW côté client ne prend que peu de capacité de calcul dans la deuxième version, par rapport à la première version ou CQIC et DCIC. Coopérer avec la transition d’état côté serveur améliorée CDBE peut atteindre une part équitable de BW dans le réseau central `a paquets fixes ou le réseau mobile avec un coût de RTT inférieur à celui des CCA conventionnels. Aucune unité / application de boîtier de médiation ou de périphérie n’est requise dans l’architecture CDBE.


  • Résumé

    The mobile network is a hybrid network with Radio Access part and the fixed backhaul core network. The congestion control algorithms(CCA) designed for a specific type of system may not work as well in the other kind of network, especially the network with hybrid feature device like the mobile edge network. Generally, the bottleneck in a mobile network is the Radio access part. However, this is not always the case since multiple radio base stations or packet delivery network gateway can be sharing the same bottleneck in the packet delivery backhaul. In this thesis, we start from a cross-layer method and address the issue with a ubiquitous solution. The first algorithm we analysed is called CQIC, which get the PHY layer of UE involved in the congestion control design. An improvement from 3G CQIC to LTE scenario is proposed named DCIC. This algorithm uses the Downlink Control Indicator(DCI) instead of Channel Quality Indicator(CQI) to save the computation power on UE and take the scheduling result of eNB into consideration. Further, we evaluated current BBR algorithm, which focuses on the data centre network, in the mobile scenario. Most conventional CCA does not take the uplink BW degradation and other features in the cellular system into consideration in its bandwidth estimation method. Based on the review, we proposed the five tradeoff objectives to guide the CCA design in a mobile hybrid type of network: Bandwidth Utilisation, Delay (where loss is the extreme expression of delay), Fairness, Simplicity and Genericity. Based on the tradeoffs and goals, we proposed CDBE, a TCP clientside driven bandwidth estimation(CDBE) and report feedback loop. The client-side BW estimation method takes only little computation capability in the second version, compared to its first version and the DCIC. Cooperate with the enhanced server-side state transition CDBE can achieve a fair share of BW in both fixed packet core network or mobile network with a lower cost of RTT compared to conventional CCAs. No extra middlebox or edge computing unit/applications is required in CDBE architecture.


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