Mobility and resource management for 5G heterogeneous networks

Résumé

La topologie classique, des réseaux cellulaires actuels, est une topologie en étoile, où les stations de base servent habituellement comme points de contrôle centraux. Celle-ci offre l'avantage d’une architecture simple tout en garantissant une meilleure qualité de service (QdS). Cependant, pour les réseaux futurs, c’est-à-dire de prochaine génération, cette topologie sera désavantageuse et difficile à utiliser en raison de l’insuffisante disponibilité d'accès au réseau. Le réseau à topologie hybride sera donc naturellement le futur réseau d'accès mobile, qui peut aider à surmonter les difficultés et les défis actuels et futurs d'une manière efficace. Ainsi, la technologie de relais peut jouer un rôle prépondérant pour offrir ce type de topologie dans le réseau cellulaire. Aujourd'hui, selon les dernières normes du réseau LTE-A, l’organisme 3GPP supporte la technologie de relais à un seul saut, dans lequel le lien d'accès radio entre la station de base et les utilisateurs est relié par une seule station de relais. Toutefois, avec l'aide des relais à multi-saut, la liaison radio entre la station de base et les utilisateurs peut être étendue à plus de deux sauts afin d'améliorer, à la fois, la capacité et la couverture du réseau. Cela pourrait être expliqué par la réduction du trajet en raison de l'emploi de plusieurs sauts pour transmettre des données depuis/vers la station de base correspondante. Néanmoins, l'utilisation d'un système de relais à multi-saut exige plus de ressources radio pour transmettre des données à travers les différents liens. Également, plus d'interférences sont créées en raison du nombre élevé de transmissions simultanées dans le réseau. De nouveaux mécanismes pour la gestion de la mobilité et des ressources sont donc nécessaires pour augmenter la capacité totale du réseau tout en garantissant une meilleure qualité de service. Dans le cadre de la première partie de cette thèse, nous avons étudié conjointement le problème de sélection de relais et l'allocation des ressources radio, dans lequel nous abordons principalement la question de choisir la façon dont la bande passante devrait être partagée entre les différents liens (direct, backhaul et le lien d'accès) dans les réseaux de relais à multisaut. Dans un tel réseau, l'allocation des ressources joue un rôle essentiel puisqu’elle gère l'accès au canal, à la fois, dans le domaine du temps et des fréquences, et détermine ainsi comment les ressources sont allouées pour les différents liens. La solution proposée applique les concepts de la technique d’optimisation non-linéaire, et la méthode d’itération heuristique. Tout d'abord, la formulation du problème d'allocation des ressources et la sélection de relais a été présentée pour fournir un cadre intégré pour les réseaux de relais à multi-saut. Ensuite, une solution analytique du problème a été présentée à travers la technique d’optimisation non-linéaire, en conséquence, un algorithme itératif à deux étapes a été présenté pour résoudre le problème d'allocation des ressources et la sélection de relais conjointement dans les réseaux de relais à multi-saut. Au demeurant, la première étape propose une solution analytique pour cerner le problème d'allocation des ressources, qui prend en compte le compromis entre l'optimalité et la complexité de l'architecture du relais à multi-saut; la deuxième étape présente une stratégie heuristique pour la sélection de relais qui considère la charge des stations de relais. La deuxième partie de ce travail traite principalement le problème de la mobilité dans les réseaux à relais multi-saut. En plus de la question de l'allocation des ressources, le problème de sélection de relais est étudié du point de vue de la couche réseau. Par conséquent, cette partie ajoute au problème la question de la sélection de route de liaison radio. Comme une alternative de l'algorithme heuristique développé dans la précédente partie, le travail présenté décrit le développement et l'évaluation d'un système de sélection de relais basé sur le processus de Markov qui considère la charge des stations de relais et des liaisons radio existantes en vue d’améliorer la mobilité et la performance. Tout d'abord, la formulation du problème d'allocation des ressources et la sélection de relais est présenté; selon un modèle mathématique basé sur le processus Markov lequel est conçu pour résoudre le problème de sélection de relais de manière décentralisée et rendre ainsi le processus de sélection plus simple. La solution proposée pour la sélection de relais a pour objectif de maintenir le débit et d'assurer une continuité de service pour tous les terminaux mobiles connectés dans le réseau. La troisième partie de ce travail permet de résoudre conjointement les problèmes de contrôle d'admission et d’énergie dans un réseau hétérogène composé de plusieurs petites cellules. Comparativement aux deux parties précédentes, le système est étendu d’un réseau de relais à multi-saut à un réseau hétérogène à petites cellules. Par conséquent, cette partie se concentre uniquement sur le problème au niveau des liens d'accès en supposant que la capacité des liens de backhaul est assez grande pour ne pas être congestionnée. Cette partie traite principalement le problème d’admission pour maximiser le nombre d'utilisateurs admis dans un système surchargé, tout en minimisant l’énergie d'émission. Premièrement, le problème est formulé en tenant en considération les exigences de qualité de service des utilisateurs. Deuxièmement, un mécanisme d'association d’utilisateurs basé sur le diagramme Voronoi est proposé pour maximiser le nombre d'utilisateurs admis dans le système par rapport à la QdS et les contraintes de la capacité. Enfin, un algorithme à deux étapes a été présenté pour résoudre conjointement les problèmes de contrôle d’admission et d’énergie dans un réseau hétérogène à petites cellules. En particulier, la première étape propose une politique de contrôle d'admission dynamique qui considère la QdS et la charge des petites cellules, tout en aidant à maintenir le balancement de charge dans le réseau. la seconde étape présente une stratégie adaptative de contrôle d’énergie qui prend en compte à la fois la distribution des utilisateurs et la densité des petites cellules dans des réseaux hétérogènes. Les solutions proposées sont évaluées à travers différents scénarios de simulation et les résultats numériques sont présentés et comparés avec les travaux correspondants dans la littérature.

Date	1 avr. 2016
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Michel Kadoch (Directeur(-trice)) & Bo Rong (Codirecteur(-trice))