Architecture et protocoles pour les Réseaux d'urgence dans la 5G

Architecture and protocols for public safety users in the 5G cellular networks

• Auteur / Autrice : Sarkis Moussa
• Direction : Abderrahim Benslimane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 30/06/2023
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et agrosciences (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire informatique d'Avignon
• Jury : Président / Présidente : Yezekael Hayel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fen Zhou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nader Mbarek, Tayeb Lemlouma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique sensible au contexte

Informatique dans les nuages

Programmation non linéaire

Optimisation par essaims particulaires

5G (téléphonie mobile)

Réseaux d'ordinateurs

Infrastructures à clés publiques

Mots clés libres

Réseaux de sécurité publique

Communications de dispositif à dispositif

Accès multiple non orthogonal

Optimisation

Calcul de périphérie multi-accès

Services basés sur la proximité

Simu5G

Public safety network

Device-to-device communications

Non-orthogonal multiple access

Optimization

Multi-access edge computing

Proximity-based services

Simu5G

Résumé

Les PSNs sont conçus pour satisfaire les besoins des intervenants d’urgence, notamment les pompiers, la police et d’autres organismes de PS. Ces réseaux sont employés pour prévenir les incidents qui constituent une menace pour les personnes ou les biens, ou pour y répondre. Ils sont traditionnellement basés sur des technologies radio fiables, mais à faible débit, fournissant ainsi des services limités tels que la communication vocale entre les PSUs. De ce fait, leur capacité de tirer parti des développements récents des réseaux sans fil et des applications à large bande était limitée. Les réseaux cellulaires 5G et au-delà, avec leur infrastructure avancée et leurs techniques adaptées, sont parfaitement adaptés pour surmonter les limitations associées aux PSNs, en offrant une transmission de données à haut débit, une faible latence et une connectivité étendue. L’intégration des PSNs dans la 5G améliore l’efficacité de réponse aux urgences, en permettant aux agences de PS d’accéder en temps réel aux informations cruciales et en améliorant la communication entre les premiers intervenants. À cet égard, l’objectif de cette thèse est de développer des modèles et une architecture qui garantissent une communication efficace entre les PSUs en utilisant les ressources cellulaires. Nous envisageons différents scénarios, y compris des situations où les ressources sont uniquement dédiées aux PSUs et des situations où les ressources sont partagées avec les utilisateurs primaires. En outre, nous explorons des scénarios où il n’y a pas de ressources cellulaires (par exemple, une BS inaccessible). Nous abordons d’abord un problème d’attribution de ressources dans la communication D2D superposée en bande sous licence. Ce mode garantit des RBs dédiés exclusivement aux PSUs et minimise l’interférence entre les CUs et les PSUs. En outre, nous considérons la technique NOMA pour l’accès radio, améliorant ainsi la performance du système en termes d’efficacité spectrale, de débit atteint et de nombre de PSUs accédant au réseau. À cette fin, nous appliquons une heuristique qui regroupe les PSUs qui partageront les mêmes ressources, de sorte que la consommation de la bande passante soit réduite au minimum. Nous attribuons ensuite une puissance suffisante à chaque PSU à l’aide de l’algorithme PSO. Dans une deuxième approche, nous proposons un nouveau schéma pour le scénario de communication D2D sous-couche. Ce schéma repose également sur la technique NOMA et est basé sur un problème de programmation mixte non linéaire à nombre entier pour la maximisation du débit total. Ce problème prend en compte les contraintes liées au budget de puissance, aux débits requis par les utilisateurs et au SIC. En raison de la complexité du calcul, nous concevons un algorithme heuristique qui sélectionne les CUs appropriées pour partager leurs ressources avec les clusters de PS. Ensuite, compte tenu de cette sélection, nous calculons l’allocation optimale de puissance dans chaque groupe de PS en utilisant la méthode du multiplicateur de Lagrange. Lors d’une catastrophe, les dommages causés à l’infrastructure, en particulier aux BSs, peuvent perturber l’accès des PSUs au réseau central. Pour résoudre ce problème et garantir la continuité des services PS, nous examinons l’utilisation de la norme ProSe, qui est cruciale pour la communication D2D dans le spectre avec et sans licence. En conséquence, nous proposons et validons une nouvelle architecture pour les PSNs à l’aide du simulateur de réseau Simu5G. Cette architecture utilise la technique NOMA et place la fonction ProSe et le serveur d’application ProSe dans le système MEC installé dans une station relais. Cette approche garantit la disponibilité du réseau pour le plus grand nombre possible de PSUs et leur permet d’accéder aux informations requises avec une latence minimale dans le spectre sous licence, tout en assurant le fonctionnement dans le spectre sans licence en toute sécurité et de manière efficace.

PSNs are designed to meet the needs of emergency responders, including firefighters, police, and other PS agencies. These networks are used to prevent or respond to incidents that threaten people or property. Traditionally, these PSNs were supported by reliable, but low-rate radio technologies that provide limited services such as voice communication among PSUs. Consequently, their capability to take advantage of recent developments in wireless networks and broadband applications was restricted. 5G and beyond CNs, with their advanced infrastructure and adapted techniques, perfectly suited to overcome the limitations associated with PSNs, offering high data transmission, low latency, and extensive connectivity. Integrating PSNs into 5G improves emergency response efficiency, enabling PS agencies to access crucial information in real time and enhance communication among first responders. In this regard, the objective of this thesis is to develop models and architecture that guarantee effective communication among PSUs through the use of cellular resources. We consider different scenarios, including situations where resources are solely dedicated to PSUs and where resources are shared with primary users. Additionally, we investigate scenarios where there are no cellular resources (e.g. an inaccessible BS). We first address a resource allocation problem in in-band overlay D2D communication. Using this mode ensures dedicated RBs exclusively for PSUs and minimizes interference between CUs and PSUs. Furthermore, we consider the NOMA technique for radio access, improving thereby the system performance in terms of spectral efficiency, achieved throughput, and number of PSUs accessing the network. This is achieved by implementing a heuristic that groups the PSUs that will share the same resources, so that the total amount of bandwidth used is minimized. We then allocate sufficient power to each PSU using the PSO algorithm. As a second approach, we propose a novel scheme for the underlay D2D communication scenario. This scheme also relies on the NOMA technique and is based on a mixed integer nonlinear programming problem for sum throughput maximization. It takes into account the power budget, the users required rates, and the SIC constraints. Due to computational complexity, we design a heuristic algorithm that selects suitable CUs to share resources with PS clusters. Then, given this selection, we compute optimal power allocation in each PS cluster using the Lagrange multiplier method. In a disaster, infrastructure damage, especially to BSs, may disrupt PSU access to the core network. To address this issue and ensure the continuity of PS services, we investigate the use of the ProSe standard, which is crucial for D2D communication in the licensed and unlicensed spectrum. Accordingly, we propose and validate a new architecture for PSNs using the Simu5G network simulator. This architecture uses the NOMA technique and places both, the ProSe function and the ProSe application server, in the MEC system that is installed in a relay station. This approach guarantees network availability for as many PSUs as possible, and enables them to access the required information with minimal latency in the licensed spectrum, while they continue to operate in the unlicensed spectrum securely and efficiently.