Energy-efficient resource allocation in limited fronthaul capacity cloud-radio access networks

Résumé

Au cours des dernières années, les réseaux d’accès radio cloud (C-RAN) ont continuellement démontré leur rôle à titre de candidat technologique fort prometteur pour relever les nombreux défis liés à l’avènement des réseaux mobiles de cinquième génération (5G). Dans les C-RANs, les modules capables de traiter les données et les signaux radio sont physiquement séparés en deux groupes fonctionnels principaux : le groupe BBU (Baseband Unit) constitué de plusieurs BBUs sur le cloud et les réseaux d’accès radio (RAN) composés de plusieurs têtes de radiocommande à faible puissance (RRH) dont la fonctionnalité est simplifiée grâce à la transmission / réception radio. Grâce à la capacité de calcul centralisée du cloud computing, les C-RANs permettent une coordination entre les RRHs afin d’améliorer significativement l’efficacité spectrale réalisable, permettant ainsi de satisfaire la demande croissante des utilisateurs. Par surcroît, cette performance améliorée peut être obtenue en mode d’économie d’énergie, créant ainsi une perspective de C-RAN écoénergétique. On notera qu’une telle amélioration peut être réalisée dans une condition idéale de fronthaul avec une capacité très élevée et stable. Cependant, en pratique, les liens fronthaul dédiés doivent être substantiellement divisés pour connecter une grande quantité de RRH au cloud, conduisant à un scénario de capacité limitée de fronthaul pour chaque RRH. Cela impose une limite supérieure à l’efficacité spectrale de chaque utilisateur, limitant ainsi la performance des C-RANs. Pour tirer pleinement profit des C-RANs écoénergétiques tout en respectant leurs caractéristiques strictes en matière de capacité de transmission fronthaul, il est ainsi essentiel de concevoir un réseau plus approprié et plus efficace. L’objectif principal de cette thèse est d’optimiser l’empreinte écologique des C-RANs en terme d’efficacité énergétique dans des conditions de capacité de fronthaul non idéales, à savoir une conception économe en énergie dans des C-RANs à capacité de fronthaul limitée. En determinant conjointement la formation du faisceau d’émission, la sélection RRH et l’association RRH- utilisateur, notre étude cible les trois problèmes de conception essentiels suivants : le compromis optimal entre la maximisation du débit et la minimisation de la consommation énergétique totale, l’efficacité énergétique maximale dépendante du modèle de puissance du debit adaptatif, la conception optimale de l’informatique virtuelle efficace concernant l’économie d’énergie ainsi que l’allocation des ressources radio dans les C-RANs virtualisés. Les contributions significatives et les éléments novateurs de ces travaux sont décrits dans les chapitres suivants. Premièrement, nous présentons au chapitre 3 la conception conjointe de la formation de faisceau d’émission, la sélection RRH et l’association RRH-utilisateur pour optimiser le compromise entre la maximisation du débit et la minimisation de la consommation énergétique totale dans les liaisons descendantes des C-RANs. Nous avons développé un algorithme puissant avec une haute complexité et deux nouveaux algorithmes de faible complexité pour résoudre respectivement les solutions optimales globales et celles sous-optimales de haute qualité. Les résultats de ce chapitre montrent que les algorithmes proposés, en plus de surmonter la resolution du problème non convexe difficile dans un temps polynomial, surpassent également les techniques proposées dans la littérature sur le plan de la convergence et de la performance du réseau. Deuxièmement, nous avons proposé dans le chapitre 4 un nouveau modèle reflétant la dependence de la puissance consommée sur le débit de données de l’utilisateur et met en evidence son impact à travers divers métriques d’efficacité énergétique dans les C-RANs. La performance dominante du modèle des résultats du chapitre 4, comparée au modèle conventionnel sans puissance adaptée en fonction du débit, corrobore l’importance du nouveau modèle propose pour conserver de manière appropriée la puissance du système et obtenir la performance C-RAN la plus économe en énergie. Enfin, nous avons proposé dans le chapitre 5 un nouveau modèle sur le centre du cloud qui permet la virtualisation et l’allocation adaptative des ressources informatiques selon le traffic significatif de données pour conserver plus de puissance. Un problème de conception conjointe de la ressource informatique virtuelle avec le beamforming, la sélection RRH, et l’association RRH-utilisateur qui maximise l’efficacité énergétique C-RAN virtualisée est considéré. Pour faire face au problème de taille complexe sur l’optimisation formulée et aboutir à la solution, un nouvel algorithme efficace avec une plus faible complexité par rapport au travail précédent a été développé. À partir de différentes évaluations, les résultats obtenus démontrent la supériorité des concepts proposés par rapport aux travaux conventionnels.

Date	4 déc. 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Charles Despins (Directeur(-trice)) & François Gagnon (Codirecteur(-trice))