Optimisation de l'association des utilisateurs et de l'allocation des ressources dans les réseaux sans fil hétérogènes

Optimization of user association and resource allocation in heteregeneous networks

• Auteur / Autrice : Mohamad Zalghout
• Direction : Jean-François Hélard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunication
• Date : Soutenance le 23/10/2017
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Université : Lebanese international university
• Jury : Président / Présidente : Michel Terré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Hélard, Michel Terré, Joumana Farah Francis, André-Luc Beylot, Laurent Clavier, Samih Abdul-Nabi, Ayman Khalil, Matthieu Crussière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joumana Farah Francis, André-Luc Beylot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Problème du sac à dos

Programmation linéaire

Optimisation combinatoire

IEEE 802.11 (norme)

LTE (norme)

Informatique mobile

Réseaux locaux sans fil

Systèmes de communication sans fil

Réseaux d'ordinateurs

Mots clés libres

Allocation de ressources

Consommation d'énergie

User association

Resource allocation

Heterogeneous networks

Power consumption

Résumé

Aujourd'hui, l'extension des exigences du trafic de données sans fil dépasse le taux de croissance de la capacité des nouvelles technologies d'accès sans fil. Par conséquent, les réseaux sans fil mobiles de la future génération proposent des architectures hétérogènes, généralement appelées réseaux sans fil hétérogènes (HWN). HWN se caractérisent par l'intégration des réseaux cellulaires et des réseaux locaux sans fil (WLAN) pour répondre aux besoins des utilisateurs et améliorer la capacité du système. En fait, l'intégration de différents types de technologies d'accès sans fil dans HWN offre des choix flexibles pour que les utilisateurs soient associés au réseau qui répond le mieux à leurs besoins. Dans ce contexte, cette thèse traite le problème d'association d'utilisateurs et le problème d'allocation de ressources dans un système sans fil hétérogène basé sur des points d'accès Wi-Fi intégrés et des stations de base L TE. Les contributions de cette thèse pourraient être divisées en trois parties principales. Dans la première partie, un nouveau problème d'association d'utilisateurs et d'optimisation de l'allocation des ressources est formulé pour maximiser la satisfaction globale des utilisateurs dans le système. La satisfaction de l'utilisateur est basée sur une fonction de profit pondérée qui vise à améliorer la puissance relative du signal reçu et la diminution de la consommation d'énergie des terminaux mobiles (MT). Étant donné qu'un MT n'est autorisé à être associé qu'à un seul réseau à la fois, le problème d'optimisation formulé est binaire avec une complexité NP complète. Ensuite, plusieurs solutions centralisées avec une complexité à temps polynomial sont proposées pour résoudre le problème formulé. Les solutions proposées sont basées sur des approches heuristiques et sur la relaxation continue du problème d'optimisation binaire formulé. La deuxième partie de la thèse vise à fournir une solution distribuée pour le problème formulé. La solution distribuée proposée déploie la technique de détente lagrangienne pour convertir le problème global formulé en plusieurs problèmes de Knapsack distribués, chaque réseau traite son problème Knapsack correspondant. La méthode de sous gradient est utilisée pour trouver les multiplicateurs lagrangiens optimaux ou sous optimaux. Enfin, la troisième partie de la thèse étudie de nouvelles perspectives de la formulation du problème d'optimisation et ses solutions centralisées et distribuées correspondantes. Un problème d'association d'utilisateurs et d'allocation de ressources basé sur la priorité est formulé. Le problème est ensuite réduit en plusieurs problèmes résolus à l'aide des solutions proposées réparties et centralisées. En outre, une nouvelle solution de maximisation de l'efficacité énergétique est proposée en modifiant les objectifs du problème d'optimisation originalement formulé.

It is indicated that the expansion of the wireless data traffic requirements exceeds the capacity growth rate of new wireless access technologies. Therefore, next-generation mobile wireless networks are moving toward heterogeneous architectures usually referred to as heterogeneous wireless networks (HWNs). HWNs are usually characterized by the integration of cellular networks and wireless local area networks (WLANs) to meet user requirements and enhance system capacity. In fact, integrating different types of wireless access technologies in HWNs provides flexible choices for users to be associated with the network that best satisfies their needs. In this context, this thesis discusses the user association and downlink resource allocation problem in a heterogeneous wireless system that is based on integrated Wi-Fi access points (APs) and long-term evolution (L TE) base stations (BSs). The contributions of this thesis could be divided into three main parts. In the first part, a novel user association and resource allocation optimization problem is formulated to maximize the overall user satisfaction in the system. The user satisfaction is based on a weighted profit function that aims at enhancing the relative received signal strength and decreasing the power consumption of mobile terminals (MTs). Since a MT is only allowed to be associated with a single network at a time, the formulated optimization problem is binary with an NP-complete complexity. Then, multiple centralized solutions with polynomial-time complexities are proposed to solve the formulated problem. The proposed centralized solutions are based on heuristic approaches and on the continuous re laxation of the formulated binary optimization problem. The second part of the thesis aims at providing a distributed solution for the formulated problem. The proposed distributed solution deploys the Lagrangian relaxation .technique in order to convert the global formulated problem into multiple distributed Knapsack problems each network processes its corresponding Knapsack problem. The sub-gradient method is used in order to find the optimal, or near optimal, Lagrangian multipliers. Finally, the third part of the thesis studies new perspectives of the formulated optimization problem and its corresponding centralized and distributed solutions. Mainly, a generalized priority-aware user association and resource allocation problem is formulated. The priority-aware problem is then reduced into multiple problems that are solved using the proposed centralized and distributed solutions. Moreover, a novel power efficiency maximization solution is proposed by altering the objectives of the main formulated optimization problem.