Données mobiles délestant sur les réseaux de transports publics urbains

Mobile data offloading via urban public transportation networks

• Auteur / Autrice : Qiankun Su
• Direction : Charly Poulliat, Katia Jaffrès-Runser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, Télécommunications, Systèmes et Architecture
• Date : Soutenance le 19/05/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Guérin-Lassous
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charly Poulliat, Katia Jaffrès-Runser, Gentian Jakllari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Fiore, Mohamed Yacine Ghamri Doudane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transports publics

Données -- Compression (télécommunications)

Mots clés libres

Codage en réseaux

Données mobiles délestant

Réseaux de transports publics

Network coding

Mobile data offloading

Public transportation networks

Résumé

La popularité des plateformes mobiles telles que smartphones et tablettes génère un volume croissant de données à transférer. La principale raison de cette croissance est l'accès simplifié aux contenus vidéo sur ces plateformes. La future génération (5G) de téléphonie mobile est en cours de développement et a pour objectif d'offrir une bande passante suffisante pour de tels volumes de données. Néanmoins, un déploiement en masse de la 5G n'est pas envisagé avant 2020. De plus, la croissance est telle qu'il sera forcément intéressant de développer des solutions alternatives et complémentaires capables de délester le réseau cellulaire. L'exemple actuel le plus représentatif est le délestage de données cellulaires vers des réseaux d'accès WiFi par les principaux opérateurs mobiles. Dans ce contexte, nous proposons de déployer un nouveau réseau de contenus qui s'appuie sur les réseaux de transports publics urbains. Cette solution déploie des bornes sans-fil dans les bus et sur certaines stations de bus pour offrir du contenu aux passagers des bus. Les bus enregistrent et transportent les données, et se comportent donc comme des mules qui peuvent s'échanger des données dans certaines stations de bus. L'ensemble des bus créé un réseau de transport de données tolérantes au délai telles que de la vidéo à la demande. La création d'un tel réseau soulève de nombreuses questions. Les questions traitées dans les trois parties de cette thèse sont les suivantes: (i) le choix des stations de bus sur lesquelles une borne sans-fil doit être déployée, (ii) le choix du protocole de routage des données, (iii) la gestion efficace de la contention dans les stations et enfin (iv) la réduction du coût d'une telle infrastructure. La première partie de la thèse présente notre réseau de contenu dont l'objectif principal est de transporter de larges volumes de données. Nous montrons pour cela qu'il suffit de déployer des bornes sans-fil aux terminus des lignes de bus. Ce résultat provient de l'analyse des réseaux de transports publics des villes de Toulouse, Helsinki et Paris. Connaissant les horaires et la topologie de ces réseaux de transports, nous proposons de pré-calculer les routes pour transmettre les données dans ce réseau. Nous montrons que ce routage statique permet de réduire drastiquement le nombre de réplications de messages quand on le compare à un routage épidémique. La seconde contribution de cette thèse s'intéresse à l'échange des messages au niveau des bornes sans-fil déployées aux terminus des lignes de bus. En effet, les protocoles d'accès actuels partagent équitablement la bande passante entre les bus et le point d'accès. Dans notre cas, il en résulte une congestion importante que nous proposons de résoudre en introduisant un codage réseau XOR de proche en proche. Les flux qui se croisent sont alors combinés par la borne. Les bus transportent des paquets codés qui seront décodés au prochain saut par la borne suivante. Une analyse théorique de ce mode de communication montre que la probabilité de réception des messages peut-être augmentée au maximum de 50% et la surcharge diminuée au maximum de 50%. Pour les 3 villes européennes considérées, nous montrons par simulation que ce protocole permet d'augmenter de 35% à 48% le nombre de messages reçus. La dernière partie de cette thèse a pour objectif de réduire le coût de déploiement d'une telle architecture. Elle classifie les terminus des lignes de bus en trois ensembles qui sont équipés par des bornes sans fil de nature différentes. Les résultats de simulation montrent que pour les trois villes il est possible de garantir la connectivité de bout-en-bout tout en réduisant les coûts de déploiement d'un facteur 3. Cette architecture, dénommée 3-tier, transporte 30% plus de messages que le déploiement basique proposé en première partie. Nous montrons qu'il est possible de décharger un grand volume de données avec notre architecture. Par exemple, pour Paris, notre architecture permet de

Mobile data traffic is increasing at an exponential rate with the proliferation of mobile devices and easy access to large contents such as video. Traffic demand is expected to soar in the next 5 years and a new generation of mobile networks (5G) is currently being developed to address the looming bandwidth crunch. However, significant 5G deployments are not expected until 2020 or even beyond. As such, any solution that offloads cellular traffic to other available networks is of high interest, the main example being the successful offloading of cellular traffic onto WiFi. In this context, we propose to leverage public transportation networks (PTNs) created by regular bus lines in urban centers to create another offloading option for delay tolerant data such as video on demand. This PhD proposes a novel content delivery infrastructure where wireless access points (APs) are installed on both bus stops and buses. Buses act as data mules, creating a delay tolerant network capable of carrying content users can access while commuting using public transportation. Building such a network raises several core challenges such as: (i) selecting the bus stops on which it is best to install APs, (ii) efficiently routing the data, (iii) relieving congestion points in major hubs and (iv) minimizing the cost of the full architecture. These challenges are addressed in the three parts of this thesis. The first part of the thesis presents our content delivery infrastructure whose primary aim is to carry large volumes of data. We show that it is beneficial to install APs at the end stations of bus lines by analyzing the publicly available time tables of PTN providers of different cities. Knowing the underlying topology and schedule of PTNs, we propose to pre-calculate static routes between stations. This leads to a dramatic decrease in message replications and transfers compared to the state-of-the-art Epidemic delay tolerant protocol. Simulation results for three cities demonstrate that our routing policy increases by 4 to 8 times the number of delivered messages while reducing the overhead ratio. The second part of the thesis addresses the problem of relieving congestion at stations where several bus lines converge and have to exchange data through the AP. The solution proposed leverages XOR network coding where encoding and decoding are performed hop-by-hop for flows crossing at an AP. We conduct a theoretical analysis of the delivery probability and overhead ratio for a general setting. This analysis indicates that the maximum delivery probability is increased by 50% while the overhead ratio is reduced by 50%, if such network coding is applied. Simulations of this general setting corroborate these points, showing, in addition, that the average delay is reduced as well. Introducing our XOR network coding to our content delivery infrastructure using real bus timetables, we demonstrate a 35% - 48% improvement in the number of messages delivered. The third part of the thesis proposes a cost-effective architecture. It classifies PTN bus stops into three categories, each equipped with different types of wireless APs, allowing for a fine-grained cost control. Simulation results demonstrate the viability of our design choices. In particular, the 3-Tier architecture is shown to guarantee end-to-end connectivity and reduce the deployment cost by a factor of 3 while delivering 30% more packets than a baseline architecture. It can offload a large amount of mobile data, as for instance 4.7 terabytes within 12 hours in the Paris topology.