Allocation de ressources et association utilisateur/cellule optimisées pour les futurs réseaux denses

par Duc Thang Ha

Thèse de doctorat en Réseaux, information et communications

Sous la direction de Lila Boukhatem et de Steven Martin.

Soutenue le 30-09-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne) (laboratoire) , Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) et de National Institute of Informatics (NII) (laboratoire) .

Le président du jury était Xavier Lagrange.

Le jury était composé de Lila Boukhatem, Steven Martin, Xavier Lagrange, Mylène Pischella, Nadjib Ait Saadi, Megumi Kaneko.

Les rapporteurs étaient Mylène Pischella, Nadjib Ait Saadi.


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, les opérateurs de téléphonie mobile sont confrontés à une croissance considérable du trafic de données mobiles. Dans un tel contexte, la technologie Cloud Radio Access Network (CRAN) qui intègre les solutions de Cloud Computing aux réseaux d’accès radio est considérée comme une nouvelle architecture pour les futures générations de réseaux 5G. L’approche CRAN permet une optimisation globale des fonctions de traitement en bande de base du signal et de la gestion des ressources radio pour l’ensemble des RRH et des utilisateurs. Parallèlement, les réseaux hétérogènes (HetNets) ont été proposés pour augmenter efficacement la capacité et la couverture du réseau 5G tout en réduisant la consommation énergétique. En combinant les avantages du Cloud avec ceux des réseaux HetNets, le concept de réseaux H-CRAN (Heterogeneous Cloud Radio Access Networks) est né et est considéré comme l’une des architectures les plus prometteuses pour répondre aux exigences des futurs systèmes. Plus particulièrement, nous abordons le problème important de l’optimisation jointe de l’association utilisateur-RRH et de la solution de beamforming sur la liaison descendante d’un système H-CRAN. Nous formulons un problème de maximisation du débit total du système sous des contraintes de mobilité et d’imperfection de CSI (Channel State Information). Notre principal défi consiste à concevoir une solution capable de maximiser le débit tout en permettant, contrairement aux autres solutions de référence, de réduire la complexité de calcul, et les coûts de signalisation et de feedback CSI dans divers environnements. Notre étude commence par proposer un algorithme Hybride, qui active périodiquement des schémas de clustering dynamiques et statiques pour aboutir à un compromis satisfaisant entre optimalité et le coût en complexité et signalisation CSI et réassociation. L’originalité de l’algorithme Hybride réside aussi dans sa prise en compte de la dimension temporelle du processus d’allocation sur plusieurs trames successives plutôt que son optimalité (ou sous-optimalité) pour la seule trame d’ordonnancement courante. De plus, nous développons une analyse des coûts de l’algorithme en fonction de plusieurs critères afin de mieux appréhender le compromis entre les nombreux paramètres impliqués. La deuxième contribution de la thèse s’intéresse au problème sous la perspective de la mobilité utilisateur. Deux variantes améliorées de l’algorithme Hybride sont proposées : ABUC (Adaptive Beamforming et User Clustering), une version adaptée à la mobilité des utilisateurs et aux variations du canal radio, et MABUC (Mobility-Aware Beamforming et User Clustering), une version améliorée qui règle dynamiquement les paramètres de feedback du CSI (périodicité et type de CSI) en fonction de la vitesse de l’utilisateur. L’algorithme MABUC offre de très bonnes performances en termes de débit cible tout en réduisant efficacement la complexité et les coûts de signalisation CSI. Dans la dernière contribution de la thèse, nous approfondissons l’étude en explorant l’optimisation automatique des paramètres d’ordonnancement du CSI. Pour ce faire, nous exploitons l’outil de l’apprentissage par renforcement afin d’optimiser les paramètres de feedback CSI en fonction du profil de mobilité individuelle des utilisateurs. Plus spécifiquement, nous proposons deux modèles d’apprentissage. Le premier modèle basé sur un algorithme de type Q-learning a permis de démontrer l’efficacité de l’approche dans un scénario à taille réduite. Le second modèle, plus scalable car basé sur une approche Deep Q-learning, a été formulé sous la forme d’un processus de type POMDP (Partially observable Markov decision process). Les résultats montrent l’efficacité des solutions qui permettent de sélectionner les paramètres de feedback les plus adaptés à chaque profil de mobilité, même dans le cas complexe où chaque utilisateur possède un profil de mobilité différent et variable dans le temps.

  • Titre traduit

    Optimized resource allocation and user/cell association for future dense networks


  • Résumé

    Recently, mobile operators have been challenged by a tremendous growth in mobile data traffic. In such a context, Cloud Radio Access Network (CRAN) has been considered as a novel architecture for future wireless networks. The radio frequency signals from geographically distributed antennas are collected by Remote Radio Heads (RRHs) and transmitted to the cloud-centralized Baseband Units (BBUs) pool through fronthaul links. This centralized architecture enables a global optimization of joint baseband signal processing and radio resource management functions for all RRHs and users. At the same time, Heterogeneous Networks (HetNets) have emerged as another core feature for 5G network to enhance the capacity/coverage while saving energy consumption. Small cells deployment helps to shorten the wireless links to end-users and thereby improving the link quality in terms of spectrum efficiency (SE) as well as energy efficiency (EE). Therefore, combining both cloud computing and HetNet advantages results in the so-called Heterogeneous-Cloud Radio Access Networks (H-CRAN) which is regarded as one of the most promising network architectures to meet 5G and beyond system requirements. In this context, we address the crucial issue of beamforming and user-to-RRH association (user clustering) in the downlink of H-CRANs. We formulate this problem as a sum-rate maximization problem under the assumption of mobility and CSI (Channel State Information) imperfectness. Our main challenge is to design a framework that can achieve sum-rate maximization while, unlike other traditional reference solutions, being able to alleviate the computational complexity, CSI feedback and reassociation signaling costs under various mobility environments. Such gain helps in reducing the control and feedback overhead and in turn improve the uplink throughput. Our study begins by proposing a simple yet effective algorithm baptized Hybrid algorithm that periodically activates dynamic and static clustering schemes to balance between the optimality of the beamforming and association solutions while being aware of practical system constraints (complexity and signaling overhead). Hybrid algorithm considers time dimension of the allocation and scheduling process rather than its optimality (or suboptimality) for the sole current scheduling frame. Moreover, we provide a cost analysis of the algorithm in terms of several parameters to better comprehend the trade-off among the numerous dimensions involved in the allocation process. The second key contribution of our thesis is to tackle the beamforming and clustering problem from a mobility perspective. Two enhanced variants of the Hybrid algorithm are proposed: ABUC (Adaptve Beamforming and User Clustering), a mobility-aware version that is fit to the distinctive features of channel variations, and MABUC (Mobility-Aware Beamforming and User Clustering), an advanced version of the algorithm that tunes dynamically the feedback scheduling parameters (CSI feedback type and periodicity) in accordance with individual user velocity. MABUC algorithm achieves a targeted sum-rate performance while supporting the complexity and CSI signaling costs to a minimum. In our last contribution, we propose to go further in the optimization of the CSI feedback scheduling parameters. To do so, we take leverage of reinforcement learning (RL) tool to optimize on-the-fly the feedback scheduling parameters according to each user mobility profile. More specifically, we propose two RL models, one based on Q-learning and a second based on Deep Q-learning algorithm formulated as a POMDP (Partially observable Markov decision process). Simulation results show the effectiveness of our proposed framework, as it enables to select the best feedback parameters tailored to each user mobility profile, even in the difficult case where each user has a different mobility profile.


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