Thèse sur une approche inter-couches d’accès sans cellule pour des réseaux de terrains sans fils 

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Approche inter-couches d’accès sans cellule pour des réseaux de terrains sans fils

Cell-Less Cross Layer Approaches for Harsh Wireless environment

  • Encadrement : Cedric Gueguen (UR1), Patrick Savelli (B<>Com) et Xavier Lagrange (IMT Atlantique)
  • Localisation : Rennes
  • Thèse au sein de B<>Com
  • oct 2021 – sept 2024

Contexte

Les besoins croissants de la population en communications fiables et performantes nécessitent de continuer les efforts de recherche pour optimiser de nombreux critères tels que la capacité des réseaux, leur équité, la Qualité de Service (QoS)/Qualité d’expérience (QoE), leur consommation énergétique, etc. [1, 2].

Dans les situations exceptionnelles (événement local d’ampleur comme un festival, une catastrophe naturelle, des zones géographiques sans infrastructure de télécommunication, etc.), le déploiement de réseaux sans fils est souvent nécessaire pour permettre les échanges et gérer correctement ces situations. Ces réseaux sont caractérisés par un faible nombre de stations de bases, la possibilité d’un déploiement rapide, voire automatique, la réutilisation des mêmes ressources radios pour les communications au sein du réseau et vers les terminaux, et enfin une part non négligeable d’échanges locaux.

Pour réussir à garantir un service acceptable dans ces contextes il est nécessaire de revoir les anciens paradigmes réseaux et en particulier deux d’entre eux. Tout d’abord revoir l’optimisation locale du réseau à l’échelle cellulaire qui reste forcément sous-optimale face à une optimisation globale. Ensuite, dépasser le cloisonnage fort qui demeure entre différents domaines de l’optimisation de l’efficacité des transmissions tels que l’allocation de ressources radio (scheduling), la lutte contre les interférences et le contrôle d’admission qui sont pourtant fortement liés et interdépendants. Il sera également considéré qu’un utilisateur ne reste pas attaché de manière statique à un point d’accès mais pourra dynamiquement être rattaché à celui ou ceux qui offriront les meilleures garanties.

Approche scientifique

Cette thèse consiste à étudier l’approche « Cell Less » [3, 4] en cherchant non pas à optimiser localement les performances de chaque cellule via le déploiement de protocoles d’allocation de ressources [5, 6], de lutte contre les interférences [7] et de contrôle d’admission [8, 9] distincts mais d’adopter une approche holistique visant une optimisation globale multicritères de l’ensemble du réseau. Alors que la capacité est souvent considérée comme le critère principal à optimiser, d’autres indicateurs comme la consommation énergétique ou la fiabilité peuvent prendre de l’importance dans les situations exceptionnelles. Il s’agira donc d’étudier tout d’abord les liens de dépendances entre les différents protocoles ou mécanismes afin d’améliorer ensuite leur synergie (voir de les fusionner) dans une approche où la notion de cellule tend à disparaitre : un terminal peut transmettre à ou recevoir de plusieurs stations de base. De plus, les mêmes ressources sont utilisées pour les communications entre les stations de base et vers les terminaux. On comprend donc bien que l’ensemble des performances du réseau global seraient potentiellement compromises dans les cas où les premiers mécanismes d’allocation à des terminaux n’auraient pas laissé la place suffisante pour l’acheminement des flux de chaque cellule. Si tel était le cas, le contrôle d’admission doit alors agir et cela arriverait d’ailleurs trop tard.

La vision de ce travail de thèse est d’optimiser la synergie entre les différentes couches réseau afin que le contrôle d’admission anticipe les difficultés des algorithmes d’allocation de ressources radio (scheduling), lutte contre les interférences et routage afin de garantir une meilleure fiabilité de l’ensemble du système et également d’accroître sa résilience.

Dans le but d’étendre rapidement la zone de couverture dans les contextes précédemment cité, il pourra être également intéressant d’inciter via le scheduling les utilisateurs à servir de relais au réseau. De premiers travaux [10] ont déjà été menés dans ce sens montrant qu’une telle approche serait prometteuse mais encore de nombreuses failles en terme d’équité, de fiabilité et en différenciation de service restent à corriger. Une fois cela accompli, l’utilisation de plusieurs relais pourrait permettre d’étendre encore plus significativement la connectivité offerte pour un CAPEX très faible mais cela devra passer par une coopération forte entre schedulers et protocoles de routage qui devront considérer la minimisation énergétique comme un critère important afin de ne pas épuiser l’autonomie des relais trop rapidement.

Compétences attendues pour le candidat

Pour l’ensemble des thématiques abordées par ce sujet, de bonnes connaissances en réseaux sans fil sont souhaitées. En particulier, il est recommandé d’avoir des notions sur la propagation radio (multi-path fading, etc,), les mécanismes de scheduling, et de contrôle d’admission.

Les solutions de l’état de l’art ainsi que celles développées seront très certainement testées par simulation à évènements discrets, voire implémentées dans une plateforme d’essai (par exemple https://www.openairinterface.org/). Un goût pour la programmation et des compétences dans ce domaine sont requis.

Il est également envisagé de développer certaines solutions à l’aide de techniques d’apprentissages (par renforcement ou autre). Une connaissance de principes de l’intelligence artificielles est un plus apprécié.

Références

[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] Cedric Gueguen and Sebastien Baey: A Fair Opportunistic Access Scheme for Multiuser OFDM Wireless Networks In Proc. European Association for Signal Processing (EURASIP), Journal on Wireless Communications and Networking. Special issue: « Fairness in Radio Resource Management for Wireless Networks », 2009.

[6] 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

[7] JG. Andrews, Seven ways that HetNets are a cellular paradigm shift. IEEE Communications Magazine, vol. 51, no. 3, pp. 136-44, 2013.

[8] Cédric Gueguen, Abderrezak Rachedi. Coverage Extension Based on Incentive Scheduler for Mobile Relaying Nodes in Wireless Networks. Local Computer Networks (LCN), 2011 IEEE 36th Conference on, Oct 2011, Bonn, Germany. pp.303 – 306.