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Cell-less Cross-layer scheduling for 5G wireless networks

Equipe et encadrants
Département / Equipe: 
Site Web Equipe: 
http://www-adopnet.irisa.fr/
Directeur de thèse
Bernard Cousin
Co-directeur(s), co-encadrant(s)
cédric Gueguen
Contact(s)
NomAdresse e-mailTéléphone
cédric Gueguen
cedric.gueguen@irisa.fr
0625786561
Sujet de thèse
Descriptif

Contexte :

La 5ème génération des réseaux mobiles (5G) est en cours d'étude et de spécification. Aux environs de 2030, les projections des industriels prévoient des volumes de données échangées par utilisateurs et par jours de 30 giga-octets, une densité d’utilisateur d’environ 105 utilisateur par km2 ainsi qu’une variabilité de trafic telle que l’heure où le réseau sera le plus chargé devra supporter une portion importante du volume du trafic quotidien [1, 2].

Ces impératifs nécessitent d’accroître considérablement les débits afin d’atteindre 1 Tbit/s/km2 à l’horizon 2030. Cependant cela ne doit pas se faire sans garantir une Qualité de Service (QoS) raisonnable pour tous les utilisateurs, y compris pour ceux qui se trouvent en bordure de cellule où un débit minimum de 100 Mbit/s devra leur être garanti. Cela soulève de nombreux challenges (équité, contrôle d’accès, allocation de ressource, …) puisque, quelle que soit la modulation et le type de multiplexage choisi, le goulot d'étranglement d'un réseau mobile se situe sur l'interface radio. La ressource y est extrêmement limitée et, de surcroît, soumise à divers aléas qui compliquent particulièrement les transmissions. En effet, le débit dépend fortement de la puissance et de la qualité du signal reçu par le destinataire et ces dernières fluctuent en raison de plusieurs phénomènes : l'atténuation due à la dispersion de sa puissance au cours de la propagation (path loss), l'effet de masque (shadowing), l'évanouissement multi-trajet (multipath fading) et les interférences inter-utilisateurs…

Description de la thèse :

Faire face à l’augmentation du nombre d’utilisateurs et à la complexification de leurs besoins (en termes de contrainte temporelle, de débit, de mobilité, etc.) est l’enjeu majeur des réseaux sans fil de nouvelle génération. Une stratégie novatrice pour répondre à ce challenge est non pas d’envisager le réseau comme une somme de cellules relativement indépendantes où on chercherait à optimiser les performances de chaque secteur individuellement mais plutôt de gérer la globalité du système comme une « hyper cell » [3, 4]. Cette stratégie généralement nommée « Cell-less » est rendue particulièrement efficace en adoptant une approche « Cloud » car elle permet, tout en réduisant les coûts, de centraliser les prises de décisions pour une optimisation globale des performances. En particulier, cela rend possible la mise en place de nouveaux algorithmes d’allocation de ressources permettant de mieux lutter contre les interférences [5], d’assurer une équité ainsi qu’une différenciation de service accrue tout en permettant de mieux gérer la mobilité [6, 7]... Une telle approche ouvre donc de très grandes perspectives pour accroitre significativement la Qualité de Service et d’Expérience (QoS & QoE) dans l’ensemble du réseau.

Cette thèse consiste à étudier de nouveaux paradigmes réseau dans le domaine de l’allocation de ressources et de faire émerger de ces études des solutions innovantes. Cette thèse s’articulera comme suit :

  • Etudier les stratégies classiques d’allocation de ressources cellulaires puis Cell-less issues de l’état de l’art.
  • Participer, au sein de l’équipe ADOPNET, à la mise au point d’une ou plusieurs solutions d’ordonnancement Cell-less pour les réseaux sans fil 5G.
  • Combiner les travaux précédents avec les stratégies de filtrage spatial (beamforming) qui laisse entrevoir des gains importants en particulier pour les mobiles relativement éloignés des points d’accès [8].

Prérequis :

Après une phase d’étude bibliographique, chaque solution qui sera mise au point fera l’objet d’une évaluation de performance. Outres d’évidentes compétences en réseau et télécommunication, des compétences en modélisation, programmation, chaînes de Markov sont donc requises pour toutes candidatures.

Equipe d’accueil : ADOPNET

Laboratoire : IRISA

Encadrant : Cédric Guéguen

Directeur : Bernard Cousin

Contact : cedric.gueguen@irisa.fr

Bibliographie

[1] Ten key rules of 5G deployment, Alcatel-lucent Nokia Report 2016.

[2] L. Gavrilovska, V.Rakovic and V.Atanasovski, Visions Towards 5G: Technical Requirements and Potential Enablers in Wireless Personal Communications, vol. 87, no. 3, pp.731—757, 2016.

[3] T. M. Shami, D. Grace, A. Burr and M. D. Zakaria, "User-centric JT-CoMP clustering in a 5G cell-less architecture," IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), Bologna, 2018, pp. 177-181. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8580792&isnumber=8580668

[4] X. Tang, S. A. Ramprashad and H. Papadopoulos, "Multi-Cell User-Scheduling and Random Beamforming Strategies for Downlink Wireless Communications," IEEE 70th Vehicular Technology Conference Fall, Anchorage, AK, 2009, pp. 1-5. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5379009&isnumber=5378665

[5] M. Ezzaouia, C. Gueguen, M. Ammar, S. Baey, X. Lagrange, A. Bouallègue, “A dynamic inter-cellular bandwidth fair sharing scheduler for future wireless networks,” Physical Communication, 2017, pp. 85-99                              URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1874490717303014

[6] L. Wang, T. Han, Q. Li, J. Yan, X. Liu and D. Deng, "Cell-Less Communications in 5G Vehicular Networks Based on Vehicle-Installed Access Points," in IEEE Wireless Communications, vol. 24, no. 6, pp. 64-71, Dec. 2017.
URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8246848&isnumber=8246809

[7] X. Wang et al., "Handover reduction in virtualized cloud radio access networks using TWDM-PON fronthaul," in IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, vol. 8, no. 12, pp. B124-B134, December 2016. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7830423&isnumber=7830392

[8] S. Sun, T. S. Rappaport and M. Shaft, "Hybrid beamforming for 5G millimeter-wave multi-cell networks," IEEE INFOCOM 2018 - IEEE Conference on Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS), Honolulu, HI, 2018, pp. 589-596. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8406871&isnumber=8406774

Début des travaux: 
Septembre 2020
Mots clés: 
Réseau sans fil, Cell-less, Algorithmique, Allocation de ressources, Affaiblissement multi-trajet, Qualité de Service, Evaluation de performance.
Lieu: 
IRISA - Campus universitaire de Beaulieu, Rennes