Déchargement (offloading) infrastructuré et dispositif-à-dispositif dans les réseaux cellulaires

Infrastructure and device-to-device cellular data offloading

• Auteur / Autrice : Vinicius Fernandes Soares Mota
• Direction : Mohamed Yacine Ghamri Doudane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 02/12/2015
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Universidade Federal de Minas Gerais
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (1997-2009) - LIGM
• Jury : Président / Présidente : Nadia Lynda Mokdad
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Yacine Ghamri Doudane, Marcos José de Souza Nogueira, Daniel Fernandes Macedo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Célio Vinícius Albuquerque, Marcelo Dias De Amorim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet mobile

Systèmes de télécommunications à large bande

Réseaux téléphoniques numériques

Mots clés libres

Mobilité

Réseaux opportunistes

Déchargement des données

Mécanisme d'incitation

Mobility

Opportunistic Network

Data offload

Incentive Mechanism

Résumé

Cette thèse aborde le problème de la surcharge des réseaux des données des opérateurs mobiles. La croissance des abonnements au haut débit mobile engendre aujourd'hui de nombreux goulots d'étranglement dans ces réseaux. Plus particulièrement, la disponibilité de la bande passante sur les stations de bases est de plus en plus réduite. Pour faire face à cette problématique, les opérateurs mobiles essaient de décharger le trafic des données de leurs infrastructures en déployant des réseaux de substitution à petites cellules, tels que les femtocells ou réseaux WiFi publics. Ces réseaux restent néanmoins très localisés et ne résolvent donc que très partiellement le problème. Ainsi, plus récemment, nous voyons l'émergence des réseaux opportunistes qui visent à transmettent les données en ne se basant que sur les dispositifs mobiles, c-à-d, de dispositif à dispositif. Cette thèse vise à évaluer la faisabilité de décharger le trafic de données mobile à l'aide des hotspots WiFi en étendant leur champs de couverture par l'utilisation des réseaux opportunistes. Pour ce faire, cette thèse propose un cadre pour le déchargement (offloading) de données de façon opportuniste et un mécanisme d'incitation pour encourager la coopération des utilisateurs des dispositifs mobiles. Dans une première partie de cette thèse, nous avons tracé la couverture 3G et WiFi à travers plusieurs lignes de bus à Paris afin d'évaluer la façon dont les utilisateurs et les opérateurs mobiles peuvent bénéficier des réseaux WiFi existants pour le déchargement des données. Nos résultats indiquent que les points d'accès WiFi déployés par les fournisseurs de service Internet peuvent décharger une partie non négligeable du trafic de données, cependant des restrictions telles que le temps de l'association et le processus d'authentification peuvent diminuer la quantité de données transmises. Dans une tentative d'offrir une nouvelle approche pour le déchargement mobile, nous proposons dans un second temps un cadre décisionnel multi-critères, appelé OppLite, pour décharger les données des réseaux de mobiles 3G grâce à des communications dispositif à dispositif opportunistes. Nous avons montré par des simulations qu'un tel déchargement mobile opportuniste peut étendre la couverture et l'efficacité des réseaux cellulaires, permettant un déchargement pouvant aller jusqu'à 36% des données dans certains scénarios. L'efficacité du déchargement mobile par les réseaux opportunistes dépend principalement de la tolérance au délai par l'application et de la coopération des utilisateurs mobiles. Le déchargement opportuniste dépend de la volonté de l'utilisateur d'offrir ses ressources aux autres. Nous avons donc proposé, dans un troisième temps, un mécanisme d'incitation, appelé MINEIRO, qui calcul un rang de réputation basée sur la source des messages reçus par les nœuds intermédiaires. MINEIRO permet à des réseaux composés d'un pourcentage important, allant jusqu'à 60%, de nœuds avec un comportement égoïste sans dégradation des performances dans un scénario de mobilité aléatoire. Au delà de ce pourcentage, MINEIRO permet maintenir un taux de livraison et des délais de livraison constants

This thesis addresses the overload problem of the Wireless Internet service Providers' (WISP) network. The growth of mobile broadband subscription has been leading several bottlenecks to WISPs, such as, bandwidth availability and resource sharing of over a single cellular cell. WISPs can move off data traffic from its infrastructure by deploying small cells, such as femtocells, to public WiFi networks or, more recently, to device-to-device opportunistic networks. This work evaluates the feasibility to offload mobile data traffic using WiFi hotspots, proposes a framework to opportunistic data offloading and an incentive mechanism to encourage users cooperation. We mapped 3G and WiFi coverage through several bus routes in Paris in order to evaluate how users and WISPs can benefit from the existing infrastructure. Our results indicate that the deployed WISPs access points can offload part of the data traffic, however restrictions such as association time and the authentication process may reduce the amount of offloaded data. We propose a multi-criteria decision-making framework, called OppLite, to offload data from 3G networks using opportunistic device-to-device communications. Trace-driven simulations showed that opportunistic mobile offloading can expand coverage and network efficiency, offloading up to 36% of data in certain scenarios. Thus, the effectiveness of opportunistic mobile offloading depends mainly of the delay tolerance of the applications and whether the user cooperates. Since opportunistic offloading depends on the user's willingness to offer his/her resources to others, we propose a message-based incentive mechanism that builds a reputation rank based on the source of messages received by the forwarding nodes, called MINEIRO. The network supports up to 60% of nodes with selfish behavior without performance degradation in a random mobility scenario. After this threshold, MINEIRO kept the delivery rate and the delay constant. Meanwhile, in a scenario with social-based mobility, selfish behavior degrades the network performance quickly