Gestion intelligente des ressources radios dans les réseaux véhiculaires de la 4G vers la 5G

Intelligent radio resource management in a vehicular networks from 4G to 5G

• Auteur / Autrice : Mariem Allouch Mahdi
• Direction : Samir Tohmé, Sondes Kallel Khemiri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’informatique parallélisme réseaux algorithmes distribués (Saint-Quentin en Yvelines, Yvelines ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Lorenz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rami Langar, Mohamed Yacine Ghamri Doudane, Oyunchimeg Shagdar
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rami Langar, Mohamed Yacine Ghamri Doudane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Allocation des ressources

Réseaux ad hoc de véhicules

LTE (norme)

Technologie 5G

Mots clés libres

Réseaux véhiculaires

Réseaux LTE-V

Communications V2X

Réseaux 5G

Allocation des ressources radios

Radio resource allocation

Vehicular networks

LTE-V networks

5G networks

V2X communications

Résumé

Les réseaux véhiculaires constituent une classe de réseaux mobiles à part entière présentant l’originalité de permettre aux véhicules de communiquer les uns avec les autres dans le cadre d'une mobilité spatiale élevée ainsi qu’avec les réseaux cellulaires et les réseaux de communication déployés sur l’infrastructure routière. En vue de supporter les communications des véhicules autonomes de niveau 5, ces réseaux doivent offrir une QoS adaptée aux contraintes temporelles critiques des communications tout en garantissant un haut niveau d’intégrité des données échangées. La technologie LTE utilisée dans les réseaux mobiles cellulaires et qui est dotée d’un cadre rigoureux de QoS a été choisie par le 3GPP (Release 14) pour la communication dans les réseaux véhiculaires sous la référence LTE-V2X/ cellular V2X. La Release 14 introduit deux modes (3,4) de communication LTE spécialement conçus pour les communications V2V. Dans le mode 3, la sélection des canaux radios est gérée par la station de base eNodeB. Dans le mode 4, les véhicules sélectionnent leurs ressources radio d’une manière autonome indépendamment de toute couverture du réseau cellulaire. Dans la littérature, différents algorithmes d’allocation de ressources pour les modes 3 et 4 ont été proposés.Dans la première partie de la thèse, on s’intéresse au mode 3 qui répond aux besoins du monitoring des véhicules autonomes de niveau 5 par l’infrastructure déployée sur la route et dans le Cloud. Une étude exhaustive des propositions existantes dans littérature montre que la majorité des solutions proposées ne traitent que les messages périodiques (non-safety ex. CAM) tout en assurant un minimum de sécurité. Donc, nous avons introduit les messages apériodiques (safety ex. DENM) qui sont générés dans des situations critiques (accident, bouchon). Nous avons proposé une politique d'allocation des ressources basée sur un système de priorité avec la garantie stricte d'une capacité minimale pour les applications critiques et un partage dynamique de la capacité restante avec les autres applications. Nous avons proposé également une nouvelle technique de réutilisation des ressources pour les deux types de messages (critiques et moins critiques) qui permet d’utiliser efficacement la capacité du réseau tout en satisfaisant les exigences des applications critiques sans pénaliser les applications moins critiques.La technologie LTE-V présente une étape importante vers le réseau V2X/5G. Ce réseau 5G offre, par le biais de l’URLLC, une haute intégrité et une faible latence pour les applications temps réel critiques. De plus, avec le concept du « Network Slicing », l’architecture fonctionnelle du réseau 5G offre la portabilité du réseau véhiculaire avec ses services à côté d’autres réseaux de services au sein du réseau mobile 5G. Nous avons choisi d’intégrer l’architecture du réseau véhiculaire 5G dans un même slice au niveau du réseau d’accès ce qui permet de bénéficier du gain statistique en termes de l’utilisation des ressources radios. On s'est intéressé aux couches MAC et physique NR. Nous avons étudié l’allocation dynamique des ressources radios entre les communications URLLC critiques et les communications de streaming portés dans un même Slice. L’ordonnanceur utilisé pour l’allocation des ressources est spécifié pour gérer dynamiquement les ressources spectrales entre les flux URLLC critiques et les flux de streaming échangés entre véhicules et les serveurs d’applications. Nous avons proposé plusieurs modèles statistiques de flux échangés et analysé par simulation la QoS offerte dans le réseau d’accès aux flux critiques/streaming. Nous avons également proposé un modèle analytique markovien quasi-exact de la traversée des couches MAC/Physique du flux URLLC avec comme objectif de dimensionner un mécanisme de contrôle d’admission (CAC) des flux critiques dans le slice et de garantir la QoS requise par ces flux.

Vehicular networks are a class of mobile networks allowing vehicles to communicate with each other in the context of high spatial mobility, as well as with cellular networks and communication networks deployed on the road infrastructure. In order to support Level 5 autonomous vehicle communications, these networks need to provide a QoS that addresses the time-critical constraints of communications while ensuring a high level of integrity of the data exchanged. The LTE technology, used in cellular mobile networks with a strict QoS, has been selected by 3GPP (Release 14) for communication in vehicular networks under the reference LTE-V2X/ cellular V2X. Release 14 introduces two modes (3,4) of LTE communication specifically designed for V2V communication. In mode 3, radio channel selection is managed by the eNodeB base station. In Mode 4, vehicles select their radio resources autonomously regardless of any cellular network coverage. In the literature, different resource allocation algorithms for modes 3 and 4 have been proposed.In the first part of the thesis, we focus on mode 3 addressing the requirements of monitoring level 5 autonomous vehicles through the infrastructure deployed on the road and in the Cloud. An exhaustive study of the existing proposals in the literature shows that the majority of the proposed solutions only deal with periodic messages (non-safety e.g. CAM) while ensuring a minimum of security. Therefore, we introduced aperiodic messages (safety ex. DENM) which are generated in critical situations (accident, traffic jam). We proposed a resource allocation policy based on a priority system with a strict guarantee of minimum capacity for critical applications and a dynamic sharing of the remaining capacity with other applications. We also proposed a new resource reuse technique for both types of messages (critical and less critical) that allows efficient use of network capacity while satisfying the requirements of critical applications without affecting less critical applications.LTE-V technology presents an important step towards the V2X/5G network. This 5G network offers, through URLLC, high integrity and low latency for real-time critical applications. Furthermore, with the concept of ''Network Slicing'', the functional architecture of the 5G network offers the portability of the vehicular network with its services alongside other service networks within the 5G mobile network. We have chosen to integrate the 5G vehicular network architecture in the same slice at the access network level which allows to benefit from the statistical gain in terms of radio resources utilization. We focused on the MAC and physical NR layers. We studied the dynamic allocation of radio resources between critical URLLC communications and streaming communications carried in the same Slice. The scheduler used for resource allocation is specified to dynamically manage spectral resources between critical URLLC flows and streaming flows exchanged between vehicles and application servers. We proposed several statistical models of exchanged flows and analyzed by simulation the QoS offered in the access network to critical/streaming flows. We have also proposed a quasi-exact Markovian analytical model of the MAC/Physical layer traversal of the URLLC flow with the objective of dimensioning an admission control mechanism (CAC) of the critical flows in the slice and to guarantee the QoS required by these flows.