5G RAN : implémentation de la couche physique et découpage du réseau

5G RAN : physical layer implementation and network slicing

• Auteur / Autrice : Aymeric de Javel
• Direction : Jean-Louis Rougier, Philippe Martins
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Thi-Mai-Trang Nguyen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Rougier, Philippe Martins, Lina Mroueh, Xavier Lagrange, Cédric Adjih
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lina Mroueh, Xavier Lagrange

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

5G

Couche physique

Slicing du réseau

Réseaux d'accès radio

5G

Physical layer implementation

Network slicing

Radio access networks, RAN

Résumé

Une des évolutions de la 4G à la 5G est l'hétérogénéité des terminaux qui accèdent au réseau. Ces terminaux vont des smartphones aux véhicules connectés en passant par les capteurs pour l'agriculture. Étant donné que les contraintes et les exigences associées aux différents types de terminaux sont hétérogènes, il n'est pas facile de multiplexer les services qui leur sont associés sur une seule infrastructure physique. Le slicing est la technologie qui permet à l'infrastructure physique de fournir plusieurs réseaux logiques (appelés slices) pour servir les différents terminaux et services associés : cette thèse étudie le slicing et sa mise en œuvre au niveau RAN. Une des principales questions soulevées par le slicing est l'allocation des ressources. En effet, de nombreux modèles existent pour l'allocation des ressources du RAN mais il manque des modèles qui prennent en compte les nouvelles contraintes impliquées par le slicing. La première contribution de cette thèse est de définir un nouveau modèle pour le slicing au niveau RAN. Ce modèle prend en compte différentes contraintes de slicing telles que la capacité, la densité des UEs, la latence et la fiabilité. L'homologie simpliciale est utilisée pour valider le respect des contraintes des slices. De plus, ce modèle est appliqué à l'optimisation de la puissance, qui est un aspect critique du déploiement du réseau. Le deuxième défi abordé dans ce travail est la supervision et le contrôle du réseau. En effet, certains verticaux ont des exigences de contrôle très élevées, et le réseau lui-même pourrait ne pas être en mesure de satisfaire pleinement ces contraintes. Par conséquent, nous introduisons une sonde qui peut extraire des données du réseau pour alimenter des outils de supervision pour le contrôle et le suivi du réseau. Cette sonde est conçue pour être résiliente aux cyber-attaques et est donc indépendante du réseau. La dernière contribution principale de cette thèse est l'introduction d'une couche physique 5G open-source appelée free5GRAN. La couche physique fournit toutes les procédures et algorithmes minimaux pour les communications entre le gNodeB et les UEs. La structure du projet est construite de manière à pouvoir facilement la modifier et mettre en place de nouvelles fonctionnalités. De plus, l'architecture logicielle est conçue de manière à ce que la couche physique soit modulaire et puisse être dérivée pour mettre en œuvre le split 7.2 de l'open-RAN.

A critical evolution from 4G to 5G is the heterogeneity of the terminals that connect the network. Those terminals range from smartphones to connected vehicles and sensors for agriculture. Given that the constraints and requirements associated with the different kinds of terminals are heterogeneous, it is not trivial to multiplex the services associated with them on top of a single physical infrastructure. Network slicing is the technology that enables the physical infrastructure to provide multiple logical networks (called network slices) to serve the various devices and associated services: this thesis studies network slicing and its implementation at the RAN level.One main issue raised by network slicing is resource allocation. Indeed, many models exist for resource allocation of the RAN but we are missing models which take into account new constraints implied by network slicing. The first contribution of this thesis is to define a new model for network slicing at the RAN level. This model takes into account diverse slices constraints such as capacity, UEs density, latency, and reliability. Simplicial homology is used to validate slices constraints fulfillment. Furthermore, this model is applied to power optimization, which is a critical aspect of network deployment. The second challenge addressed in this work is the network's supervision and control. Indeed, some verticals have ultra-high control requirements, and the network itself might not be able to satisfy this constraint fully. Therefore, we introduce a probe that can extract data from the network to feed supervision tools for the network's monitoring and control. This probe is designed to be resilient to cyber-attacks and is thus independent of the network.The last main contribution of this thesis is the introduction of an open-source 5G physical layer called free5GRAN. The physical layer provides all the minimal procedures and algorithms for communications between the gNodeB and UEs. The project's structure is built so one can easily modify it and implement new features. Furthermore, the software architecture is designed so that the physical layer is modular and can be derived to implement the open-RAN split 7.2.