Crowd networking : modélisation de la connectivité D2D selon la densité d'utilisateurs et de relais, et conséquences économiques

par Quentin Le Gall

Projet de thèse en Mathématiques

Sous la direction de Bartłomiej Błaszczyszyn.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Sciences Mathématiques de Paris Centre , en partenariat avec DIENS - Département d'informatique de l'École normale supérieure (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2017 .


  • Résumé

    Description des travaux à effectuer par le doctorant lors du travail de thèse Contexte global : La cinquième génération de systèmes mobiles va devoir fédérer un vaste champ d'applications aux besoins très hétérogènes. Elle devra entre autres être en mesure de servir un nombre sans précédent d'équipements sur de vastes étendues pour des débits faibles: systèmes de transports intelligents, maison connectée, smart grid, smart cities… La 5G devra dans le même temps également faire face à un accroissement significatif des demandes de capacité, et présenter un taux de couverture maximal, tout en respectant des niveaux de consommation acceptables. L'une des principales fonctionnalités permettant cela, appelée Device-to-Device (D2D), sera la possibilité de communication directe d'un device à un autre. En effet, cette fonctionnalité permettra à la fois de décharger les antennes d'une partie du trafic en autorisant (avec ou sans contrôle) les échanges directs entre devices, et d'étendre la couverture en permettant par exemple à un device de jouer le rôle de relais vers des utilisateurs hors couverture. D'une façon plus générale, les articles de recherche traitant du D2D se concentrent aujourd'hui soit sur les diverses applications qui pourraient en être faites (cf. par exemple : [5 - 10]), soit sur des problématiques techniques particulières (sécurité, consommation énergétique, communication radio, allocation de ressources, interférences[2 - 4]), mais abordent rarement le problème de la modélisation d'un réseau multi-relais, et si elles l'abordent, supposent que la connectivité est assurée. Un cas d'usage particulier, qui est d'une grande importance pour Orange, est l'ubérisation des réseaux. Si un nouvel opérateur, ne possédant aucune (ou très peu de) station(s) de base, pouvait construire un réseau mobile reposant uniquement sur les terminaux mobiles, disposant ainsi d'un réseau complet pour un investissement très faible, cela pourrait être une forte menace pour Orange France, ou plus généralement dans tous les pays où Orange possède des stations de base. Inversement, cette possibilité pourrait être une opportunité pour Orange dans les autres pays. Dans cette thèse nous nous intéresserons à la faisabilité d'un tel réseau, et plus exactement les conditions sous lesquelles un tel réseau serait réalisable et leurs conséquences économiques. Un des challenges majeurs est de prendre en compte la topologie des villes et la distribution spatiale des utilisateurs, en particulier leur déplacement sur la voirie. Pour cela, nous utiliserons des développements récents dans le domaine de la géométrie aléatoire : de nouveaux modèles qui proposent une représentation de la topologie et la morphologie des villes par un nombre réduit de paramètres [11-14], ainsi que des résultats issus de la théorie de la percolation continue [15]. Des travaux viennent d'être lancés sur le sujet par Orange [5] et devraient permettre de donner quelques premiers résultats dans des cas simplifiés (pas de prise en compte des interférences, pas de prise en compte de la mobilité). La thèse proposée permettra de poursuivre ces travaux en enrichissant les modèles obtenus pour tenir compte de la mobilité des utilisateurs, de leur diversité (opérateurs distincts, modèles de mobilité distincts), et de l'influence des interférences. Elle étudiera en particulier les aspects économiques à travers l'association des utilisateurs et des relais à des opérateurs distincts. Objectif scientifique de la thèse - verrous à lever : L'objectif principal de la thèse est de construire de nouveaux modèles mathématiques à base de processus aléatoires temporels et spatiaux pour étudier la fonctionnalité D2D, et d'en déduire des résultats sur les conditions de faisabilité d'un réseau D2D et sur les possibilités d'accroissement de capacité et de couverture d'un réseau existant, en environnement urbain et si possible en environnement rural. Les modèles proposés devront prendre en compte les caractéristiques de voirie, la mobilité et la vitesse de déplacement des utilisateurs et des relais, les interférences et le shadowing. Il faudra en particulier utiliser un modèle de canal spécifique pour le D2D (un modèle existe déjà dans la littérature : modèle Winner, aussi utilisé dans 3GPP) qui sera nécessaire pour modéliser les interférences et le shadowing. Ces modèles devront être implémentés dans un simulateur permettant de faire varier les principaux paramètres du problème (caractéristiques de voirie, typologie et densité d'utilisateurs, vitesses de déplacement, service, coût …). Les résultats des modèles de mobilités proposés devront être comparés à des données réelles. Les verrous scientifiques à lever sont nombreux et de diverses natures. L'une des difficultés à surmonter sera l'utilisation de processus à la fois spatiaux et temporels, les contenus transmis pouvant être asynchrones et mémorisés. Une autre difficulté sera d'appliquer la théorie de la percolation continue, sur laquelle les résultats actuels sont parcellaires et souvent limités aux seuls processus de Poisson, à des processus de Cox liés à nos modèles de voirie. Enfin, il faudra créer de toutes pièces de nouveaux modèles de mobilité, les modèles actuellement utilisés dans la littérature (principalement le Random Way Point) n'étant pas très réalistes et totalement déconnectés de la voirie. Les modèles de mobilité devront être validés en recourant autant que possible à des données Orange. Enfin, sur le volet économique, l'ajout dans le modèle d'utilisateurs des clients de plusieurs opérateurs distincts nécessite la définition des méthodes d'optimisation entre le coût et l'efficacité ( le coût de la communication pour l'opérateur pouvant être différent selon qu'il utilise ou non les relais d'opérateurs concurrents) Résultats attendus : Les principaux résultats attendus portent sur les conditions de faisabilité d'un réseau D2D. Les valeurs critiques permettant l'établissement du réseau, l'augmentation de son taux de couverture ou de sa capacité devront pouvoir être déterminées au moins par simulation en fonction des différents paramètres d'entrée (densité d'utilisateurs, typologie de voirie, typologie des relais, etc). La thèse s'attachera aussi à couvrir un aspect économique, en différenciant les utilisateurs et les relais Orange et les utilisateurs et relais d'autres opérateurs (qui pourraient avoir des coûts distincts) Approche méthodologique : La méthodologie proposée pour la thèse – analyse macroscopique et modélisation par des processus stochastiques spatiaux et temporels- est une extension des travaux cités ci-dessus portant sur l'analyse de cartes de villes et leur modélisation paramétrique par des processus aléatoires spatiaux. Ils ont été initialisés à Orange Labs, et sont utilisables entre autres dans la modélisation macroscopique de réseaux filaires. La méthode a été utilisée pour mener à bien les travaux dans le cadre du contrat de recherche externe [5]. Organisation du travail : Le doctorant sera amené à échanger régulièrement avec ses encadrants industriels qu'il côtoie au quotidien ainsi que les autres membres de l'équipe lors des réunions d'équipe. Tous ces échanges lui permettront d'avoir une vue d'ensemble des approches possibles pour aborder les problématiques de la thèse. Le doctorant sera également amené à présenter ses travaux au sein du groupe Orange, en particulier lors de colloques organisés sous l'égide de la direction Orange Labs Recherche ainsi que dans la communauté scientifique, au sein de l'école doctorale dont il dépend, et plus largement dans toute conférence, chaque fois qu'il sera sollicité pour ce faire par ses encadrants. Références : [1] Y.-D. Lin and Y.-C. Hsu, “Multihop cellular: A new architecture for wireless communications,” in Proc. IEEE INFOCOM , 2000 [2] B. Kaufman and B. Aazhang, “Cellular networks with an overlaid device to device network,” in Proc. Asilomar Conf. Signals, Syst. Comput. , 2008 [3] K. Doppler, M. Rinne, C. Wijting, C. Ribeiro, and K. Hugl, “Device-to- device communication as an underlay to LTE-advanced networks,”IEEE Commun. Mag., Dec. 2009. [4] T. Peng, Q. Lu, H. Wang, S. Xu, and W. Wang, “Interference avoidance mechanisms in the hybrid cellular and device-to-device systems,” inProc. IEEE PIMRC , 2009 [5] J. Du, W. Zhu, J. Xu, Z. Li, and H. Wang, “A compressed HARQ feedback for device-to-device multicast communications,” in Proc. IEEE VTC-Fall , 2012 [6] B. Zhou, H. Hu, S.-Q. Huang, and H.-H. Chen, “Intracluster device-to- device relay algorithm with optimal resource utilization,” IEEE Trans. Veh. Technol., Jun. 2013. [7] L. Lei, Z. Zhong, C. Lin, and X. Shen, “Operator controlled device- to-device communications in LTE-advanced networks,” IEEE Wireless Commun. Jun. 2012. [8] N. Golrezaei, A. F. Molisch, and A. G. Dimakis, “Base-station assisted device-to-device communications for high-throughput wireless video networks,” in Proc. IEEE ICC , 2012 [9] J. C. Li, M. Lei, and F. Gao, “Device-to-Device (D2D) communication in MU-MIMO cellular networks,” in Proc. IEEE GLOBECOM , 2012, [10] X. Bao, U. Lee, I. Rimac, and R. R. Choudhury, “DataSpotting: Offloading cellular traffic via managed device-to-device data transfer at data spots,” ACM SIGMOBILE Mobile Comput. Commun. Rev. Jul. 2010 [11] T. Courtat. Promenade dans les cartes de villes -Phénoménologie mathématique et physique de la ville- une approche géométrique. Thèse de doctorat de l'université Paris_Diderot (2011) [12] T. Courtat, S. Douady et G. Gloaguen, Mathematics and morphogenesis of cities : a geometrical approach Phys. Rev. E, vol83, Issue 3 24, pp 15:58 (2010) [13] T. Courtat, G. Gloaguen et S. Douady, Mathematics and Hypergraphs and City Street Networks http://arxiv.org/abs/1106.0297 (2011) [14] C. Gloaguen, F. Fleischer, H. Schmidt et V. Schmidt Fitting of stochastic telecommunication network models via distance measures and Monte-Carlo tests. Telecommun. Syst 31 n°4 pp.353-377 (2006) [15] R. Meester, R. Roy, Continuum Percolation. Cambridge University Press, 119 (1996) [16] CRE WIAS n°G09292 Continuum Percolation Theory Applied to Device to Device (2016)

  • Titre traduit

    Crowd networking: modelling of the D2D connectivity against user and base station density, and economic consequences


  • Résumé

    Description of the work to be done by the PhD candidate during his PhD Studentship Global context: The fifth generation of mobile systems will be required to unite a great number of applications meeting a wide range of miscellaneous needs. It will for instance have to be able to supply coverage for an unprecedented number of devices over large areas with very low throughputs: smart transports, smart homes, smart grids, smart cities, and so on. 5G at the same time must face a significant increase in capacity demands and offer a maximal coverage while respecting acceptable energy consumption levels. One of the main features allowing this, Device-to-Device (D2D), will consist in allowing direct communications from one device to another. Indeed, this feature will make it possible to release the base stations from a part of the traffic while authorizing (with or without control) direct communications between devices and extend network coverage, for instance by allowing a device to act as a base station for users who would not be covered by the network. More generally, research articles concerning D2D today either focus on possible applications ([5-10]) or on particular technical problems (security, energy consumption, radio communication, resource distribution, interference [2-4]). However, they rarely deal with modelling a multi-hop network and, when it is the case, assume the connectivity is established. A specific and important use case for Orange is the uberisation of networks. If a new telecommunications service provider having no (or very few) base stations could build a network only relying on mobile devices, it would have at its disposal a complete network without having invested massively. This could be a serious threat for Orange in France or, more generally, in all the countries where Orange has base stations. Conversely, the possibility of building a network without investing in base stations could be a great opportunity for Orange in other countries. In this PhD studentship, we are interested in the feasibility of such a network, and more exactly, in the conditions under which it could be spread out, as well as the economic consequences. One of the greatest challenges consists in considering the topology of the cities and the spatial distribution of the users; in particular their movements on the streets. To reach this goal we will use recent developments in the field of random geometry: new models which offer a representation of the topology and the morphology of the cities with a reduced number of parameters [11-14], and results from continuum percolation theory [15]. Projects recently launched by Orange on this topic should first yield results in simplified cases (where interference and user mobility are not considered). The PhD studentship will consist in continuing this work by enriching the models so as to take users' mobility, user density (distinct telecommunications service providers, distinct models of mobility) as well as the influence of interference into account. The PhD candidate will in particular study economic aspects through the association of users and base stations to different telecommunications service providers. Scientific goals of the PhD studentship – challenges: The main goal of this PhD studentship is to build new mathematical models based on temporal and spatial processes so as to study the D2D feature, and deduce from these models results on the feasibility of a D2D network in addition to the possibility of increasing the capacity and the coverage of an existent network in an urban environment (and if possible in rural environment). The established models will have to take into account the characteristics of the streets network, user mobility, users' and base stations' moving speed, interference and shadowing. In particular, it will be necessary to use a specific channel model for D2D connectivity (a model already exists in the literature: Winner model, also used in 3GPP) in order to model interference and shadowing. These models will have to be implemented in a simulator allowing variations of the different parameters of the problem (including characteristics of the streets, user typology and density, moving speeds, service, and costs). The results of the mobility models will need to be compared to real datasets. Many various scientific challenges are raised by this PhD studentship. One of the main difficulties to overcome will be the use of processes that are both spatial and temporal, as the transmitted contents can be asynchronous and memorized. Another challenge will be to apply continuum percolation theory, whose actual results are often incomplete and limited to Poisson processes, to our Cox processes based models. Finally, it will be necessary to create from scratch new models of mobility, as the current ones (mainly Random Way Point) are not very realistic and totally disconnected of the streets. The models of mobility will have to be validated by using Orange datasets as much as possible. Finally, from the economic perspective, taking into consideration customers of various and distinct providers in the users' model will require definition of optimization methods between costs and efficiency (the cost of a communication for the provider could indeed be different if it uses base stations of its competitors or not). Expected results: The main expected results concern the feasibility conditions of a D2D network. Critical values allowing such a network to be rolled out, the increase of its coverage rate or its capacity will have to be determined at least by simulations from the different input parameters (user density, typology of the streets, typology of the base stations, etc.). The thesis will also have to deal with economic aspects by treating the users and the base stations from Orange separately from the users and the base stations from a different telecommunications service provider (which could have different costs). Methodological approach: The methodology offered for this PhD studentship – macroscopic analysis and modelling by spatial and temporal stochastic processes – is an extension from the work quoted above on the analysis of city maps and the parametric modelling of cities by random spatial processes. This work has been initiated in Orange Labs and can for instance be used for a macroscopic modelling of wired networks. The method has been used to carry out work in the framework of the research contract [5]. Organization of the work: The PhD candidate will have to communicate on a regular basis with his/her industrial supervisors, whom he/she will work with daily. He/she will as well have to interact with other team members during team meetings. All of these interactions will allow him/her to have a global view on the different perspectives of his/her PhD subject. The PhD candidate will also have to present his/her work not only to the Orange group, in particular during seminars organized by the executive direction of Orange Labs research, but also to the scientific community within his Doctoral School and outside, during any conference which the supervisors will require the candidate to attend. References: [1] Y.-D. Lin and Y.-C. Hsu, “Multihop cellular: A new architecture for wireless communications,” in Proc. IEEE INFOCOM , 2000 [2] B. Kaufman and B. Aazhang, “Cellular networks with an overlaid device to device network,” in Proc. Asilomar Conf. Signals, Syst. Comput. , 2008 [3] K. Doppler, M. Rinne, C. Wijting, C. Ribeiro, and K. Hugl, “Device-to- device communication as an underlay to LTE-advanced networks,”IEEE Commun. Mag., Dec. 2009. [4] T. Peng, Q. Lu, H. Wang, S. Xu, and W. Wang, “Interference avoidance mechanisms in the hybrid cellular and device-to-device systems,” inProc. IEEE PIMRC , 2009 [5] J. Du, W. Zhu, J. Xu, Z. Li, and H. Wang, “A compressed HARQ feedback for device-to-device multicast communications,” in Proc. IEEE VTC-Fall , 2012 [6] B. Zhou, H. Hu, S.-Q. Huang, and H.-H. Chen, “Intracluster device-to- device relay algorithm with optimal resource utilization,” IEEE Trans. Veh. Technol., Jun. 2013. [7] L. Lei, Z. Zhong, C. Lin, and X. Shen, “Operator controlled device- to-device communications in LTE-advanced networks,” IEEE Wireless Commun. Jun. 2012. [8] N. Golrezaei, A. F. Molisch, and A. G. Dimakis, “Base-station assisted device-to-device communications for high-throughput wireless video networks,” in Proc. IEEE ICC , 2012 [9] J. C. Li, M. Lei, and F. Gao, “Device-to-Device (D2D) communication in MU-MIMO cellular networks,” in Proc. IEEE GLOBECOM , 2012, [10] X. Bao, U. Lee, I. Rimac, and R. R. Choudhury, “DataSpotting: Offloading cellular traffic via managed device-to-device data transfer at data spots,” ACM SIGMOBILE Mobile Comput. Commun. Rev. Jul. 2010 [11] T. Courtat. Promenade dans les cartes de villes -Phénoménologie mathématique et physique de la ville- une approche géométrique. Thèse de doctorat de l'université Paris_Diderot (2011) [12] T. Courtat, S. Douady et G. Gloaguen, Mathematics and morphogenesis of cities : a geometrical approach Phys. Rev. E, vol83, Issue 3 24, pp 15:58 (2010) [13] T. Courtat, G. Gloaguen et S. Douady, Mathematics and Hypergraphs and City Street Networks http://arxiv.org/abs/1106.0297 (2011) [14] C. Gloaguen, F. Fleischer, H. Schmidt et V. Schmidt Fitting of stochastic telecommunication network models via distance measures and Monte-Carlo tests. Telecommun. Syst 31 n°4 pp.353-377 (2006) [15] R. Meester, R. Roy, Continuum Percolation. Cambridge University Press, 119 (1996) [16] CRE WIAS n°G09292 Continuum Percolation Theory Applied to Device to Device (2016)