Améliorations de l’allocation des ressources pour la nouvelle architecture Radio 5G

Resource Allocation Enhancements for 5G New Radio Architecture

• Auteur / Autrice : Ogechi Akudo Nwogu
• Direction : Gladys Diaz, Marwen Abdennebi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingenierie informatique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de traitement et transport de l'information (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Cérin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kinda Khawam, Zoubir Mammeri, Elizabeth N. Onwuka, Nawel Zangar Attia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yassine Hadjadj Aoul, Rami Langar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Allocation de ressources (radiotéléphonie)

5G (téléphonie mobile)

Systèmes de télécommunications

Mots clés libres

5g

Utilisation des ressources

Réseaux mobiles hétérogènes

5g

Resource usage

Mobile Heterogenous Networks

Résumé

L'intégration rapide des réseaux de cinquième génération (5G) dans l'écosystème des réseaux mobiles hétérogènes, avec son large éventail de services définis, ainsi que l'avancée actuelle vers un standard de sixième génération (6G), exigent un contrôle dynamique performant des systèmes afin de relever les nouveaux défis liés à l'augmentation des volumes de données et aux exigences en terme de latence pour les services temps-réel. Cet objectif ne peut être atteint qu'en améliorant les techniques usuelles de mise en réseau, les architectures de déploiement distribuées qui optimisent la couverture cellulaire et par l'intégration intelligente de divers mécanismes innovants, tels que SDN (Software Defined Network), NFV (Network function virtualization). D'autres améliorations sont déjà réalisées via le déploiement de systèmes MIMO (Multilple-Input Multiple-Output) massifs, l'application de la technique TSN (Time Sensitive Networking), en plus d'une multitude d'autres mécanismes. Dans cette optique, nous proposons dans cette thèse des améliorations pour un ordonnancement à faible latence et une meilleure utilisation des ressources sur divers segments du réseau 5G/6G, l'objectif étant principalement d'assurer un meilleur support des services de type URLLC dans divers contextes d'application tels que le découpage du réseau et la cloudification des fonctions RAN qui nécessitent des garanties en temps réel pour pouvoir être exécutés. Nos principales contributions sont au nombre de trois. Pour commencer, nous avons proposé un mécanisme dynamique/fixe de réservation et d'utilisation des ressources dans le but de contrôler la congestion dans les réseaux cellulaires hétérogènes en raison des divers scénarios de trafic mixte à forte densité d'usagers associés aux réseaux 5G. Nous proposons également un nouvel algorithme d'utilisation des ressources à accès aléatoire (RA) pour une allocation de ressources efficace pour les trafics de différentes classes de priorité. Dans notre deuxième contribution, nous nous concentrons sur la mise en œuvre d'un schéma d'équilibrage dynamique de la charge dans le cadre d'un déploiement radio cellulaire hétérogène dans un contexte 5G. Notre contribution permet d'utiliser efficacement les cellules hétérogènes des réseaux mobiles, de planifier les URLLC et de réduire l'énergie consommée. En outre, le schéma d'utilisation des ressources de calcul C-RAN basé sur la méthode de la théorie des jeux que nous avons proposée optimise les performances de l'algorithme d'allocation. Enfin, notre dernière contribution porte sur le problème des délais d'accès dans les réseaux fronthaul de la 5G. Nous proposons de mettre en œuvre une part dynamique de la capacité réservée (Dynamic Reserved capacity) afin d'améliorer l'algorithme BLS (Burst Limiting Scheduler) de l'IEEE Time Sensitive Networking (TSN) en terme de performances de l'accès sur le fronthaul. Avec cette stratégie, des améliorations en terme de délai et de débit de trafic ont été mesurés par simulation en comparaison avec l'ordonnanceur à priorité stricte WRR et ce aussi bien pour les classes de trafic à haute et basse priorité, dans différentes conditions de charge de trafic

With the fast integration of the Fifth Generation (5G) networks into the heterogeneous mobile networking Eco-system together with its wide range of service specifications along with the present advance into the next Sixth Generation (6G) standard would require high levels of dynamic system control to handle the new challenges associated with increased data volumes and latency stringent service requirements. This can be achieved through the enhancement of standard networking techniques, distributed cell architectures to improve cell coverage and through the intelligent integration of various promising mechanisms such as SDN (Software Defined Network),NFV (Network Function Virtualization), massive MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) systems adoption, Time Sensitive Networking (TSN) technique application and a host of other schemes.To this end, in this thesis we proffer low-latency scheduling and resource usage enhancements to various segments of the standard LTE/LTE-A network majorly to encourage URLLC services in the application of 5G/6G broad use-cases such as network slicing and RAN functions cloudification which require real-time guarantees to execute.Our main contributions are threefold, to begin we proposed a dynamic/fixed re-source reservation and usage mechanism in a bid to control congestion in heterogeneous cellular networks as a result of densely populated mixed traffic scenarios associated with the 5G networks. We also propose a new random access (RA) re-source usage algorithm to efficiently schedule different priority class traffic.In our second contribution we focus on implementing a dynamic load balancing scheme among heterogeneous cell deployments within a 5G context. Our contribution lends to the effective usage of mobile network heterogeneous cells, URLLC scheduling and power savings. Additionally, we proposed a game-based C-RAN computational resource usage scheme.Our final contribution addressed the problem of time-sensitive networking along5G fronthaul networks. We make use of the IEEE Time Sensitive Networking (TSN)Burst Limiting Scheduler (BLS) algorithm by implementing our contribution to this algorithm through a Dynamic Reserved capacity (DRC) scheduling scheme. With our strategy, higher traffic output rates were recorded through simulation results com-pared to the WRR strict priority scheduler for both high and low priority traffic classes in different traffic load conditions