Allocation de ressources et partage de charge adaptés aux architectures de réseaux d'accès basées sur le cloud

Load balancing and cross-layer resource allocation adapted to C-RAN/VRAN architecture

• Auteur / Autrice : Hadjer Touati
• Direction : Hind Castel, Badii Jouaber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et informatique
• Date : Soutenance le 07/07/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Télécom SudParis (France) - Institut Polytechnique de Paris / IP Paris - Département Réseaux et Services de Télécommunications / RST - Méthodes et modèles pour les réseaux / METHODES-SAMOVAR
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom SudParis (France)
• Jury : Président / Présidente : Marcelo Dias De Amorim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Badii Jouaber, Pascal Lorenz, Adlen Ksentini, Lila Boukhatem, Nazim Agoulmine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Lorenz, Adlen Ksentini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Allocation de ressources (radiotéléphonie)

Informatique dans les nuages

Technologie 5G

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Allocation de ressources inter-couches 5G

Optimisation

Partage de charge

Réseaux d'accès

C-Ran

Optimization

Load balancing

C-Ran

Access networks

Resource allocation

Résumé

Au cours des cinq prochaines années, la nouvelle génération des réseaux de téléphonie mobile (5G) devrait faire face à une croissance significative du volume de données, échangées entre des milliards d’objets et d’applications connectes. En outre, l’émergence de nouvelles technologies, telles que l’Internet des objets (IoT), la conduite autonome et la réalité augmentée, imposent des exigences plus élevées en termes de performances et de qualité de service (QoS). Répondre aux exigences tout en réduisant les dépenses d’investissement et d’exploitation (CAPEX / OPEX) sont les objectifs poursuivis par les opérateurs de téléphonie mobile. Par conséquent, les opérateurs télécoms définissent une nouvelle architecture d’accès radio, appelée Cloud Radio Access Network (C-RAN). Le C-RAN propose de découpler la station de base en deux entités: la Remote Radio Head (RRH) sur laquelle seules les opérations de signaux radio électriques sont exécutées, et la Base Band Unit (BBU) ou le traitement de bande de base est exécuté de façon centralisée. Ces deux unités sont interconnectées via le Fronthaul (FH). Dans cette thèse, nous modélisons et évaluons les performances liées au dimensionnement des RRH et du FH. Dans une première partie, nous nous intéressons à la répartition des ressources avec des mécanismes de coopération dans un contexte C-RAN et H-CRAN (Heterogeneous C-RAN). Les ressources offertes par le Cloud devront offrir les capacités de calcul nécessaires pour les traitements requis pour manipuler ces débits et prendre les décisions nécessaires de manière rapide, coopérative, coordonnée et distribuée, et résoudre en particulier les problèmes radio tels que la gestion des interférences. Dans ce but, nous proposons des outils de dimensionnement en temps réel pour la répartition des ressources avec gestion des interférences, ce qui permet d’offrir une meilleure stabilité du réseau en maximisant le débit global. D’autre part, étant donné que les réseaux cellulaires de nouvelle génération ciblent des débits binaires plus élevés, des retards moins importants et une coordination améliorée entre les cellules, des solutions à plus haute capacité et à plus faible latence sont nécessaires sur le fronthaul. L’utilisation de réseaux Ethernet a commutation de paquets sur le FH avec une architecture C-RAN est à présent envisagée. Ils permettront de tirer profit des avantages du multiplexage statistique, de la réutilisation des infrastructures et de la réduction des coûts. Différentes options de split de fronthaul sont proposées. Cependant, afin de satisfaire les exigences en termes de latence, la plupart des études préconisent l’utilisation d’options de splits moins élevées, nécessitant une capacité de liaison importante sur le FH. Afin de réduire le coût de déploiement des liaisons et des switchs Ethernet tout en répondant aux exigences strictes en matière de latence des réseaux mobiles de nouvelle génération, nous proposons tout d’abord une nouvelle décomposition des fonctionnalités entre les RRH et le BBU pool. Nous proposons ensuite un outil de dimensionnement en temps réel permettant, en fonction du niveau du split et du type de trafic radio, de concevoir conjointement les règles de dimensionnement.

Over the next few years, the new fifth generation of mobile networks (5G) will face a significant growth in terms of data volumes and number of connected objects. Furthermore, with the emergence of new applications and services such as Internet of Things (IoT), Autonomous Driving (AD), Intelligent Transportation Systems (ITS), Augmented Reality and Industry 4.0 higher performances are required in terms of reliability and Quality of Service (QoS). Meeting these requirements, while reducing the Capital and Operation Expenditures (CAPEX/OPEX), are the pursued goals of the mobile operators. Consequently, Telcos defined a new radio access architecture, called Cloud/ Centralized Radio Access Network (C-RAN). This latter proposes to split the base station into two parts: the Remote Radio Head (RRH) on which only Radio Frequency (RF) operations are executed, and the BaseBand Unit (BBU) where baseband processing is performed. These two units are interconnected through a high-capacity/ low-delay Fronthaul (FH) network. In this thesis, we focus on the C-RAN performances. We propose new modeling approaches allowing the analysis and the tuning of a set of parameters related to cell cooperation and Fronthaul transport. The first part of the thesis is dedicated to resource sharing with cooperation mechanisms in a C-RAN context and H-CRAN (Heterogeneous C-RAN). There sources offered by the Cloud will have to provide the necessary computing capabilities for the processing required to manipulate these flows and make the necessary decisions in a fast, cooperative, coordinated and distributed manner, and in particular to solve radio problems such as interference management. For this purpose, we offer real-time dimensioning tools for resource sharing with interference management, which provides better network stability by maximizing overall throughput. In the other hand, since next generation cellular networks are targeting higher bit rates, lower delays and enhanced inter-cell coordination, higher capacity and lower latency fronthaul solutions are required, among others. The use of Ethernet packet-switched networks for the fronthaul links with a C-RAN architecture are nowadays considered. These will allow leveraging statistical multiplexing gains, infrastructure reuse and cost reduction. Different fronthaul split options are proposed. However, in order to satisfy latency requirements, most of studies advocate the use of lower fronthaul split options, requiring huge fronthaul link capacity. In order to reduce the deployment cost of links and Ethernet switches of the fronthaul while satisfying the stringent latency requirements of next generation mobile networks, we first propose a new decomposition of the functionalities between the radio heads and the BBU pool. Next, we propose a real-time dimensioning tool that allows, according to the split level and the type of radio traffic, to jointly design the sizing rules.