Radio Access and Core Functionalities in Self-deployable Mobile Networks
Accès radio et fonctionnalités cœurs dans les réseaux mobiles auto-déployables
Résumé
Self-deployable mobile networks are a novel family of cellular networks, that can be rapidly deployed, easily installed, and operated on demand, anywhere, anytime. They target diverse use cases and provide network services when the classical network fails, is not suitable, or simply does not exist: for example, when the network saturates during crowded events, when first responders need private broadband communication in disaster-relief and mission-critical situations, or when there is no infrastructure in areas with low population density.
These networks are challenging a long-standing vision of cellular networks. Indeed, classical cellular networks are the result of careful planning and deployment strategies. Their fixed and hierarchical architecture is based on a clear physical separation between the radio access network (RAN) and the core network (CN), with an over-provisioned backhaul between them. On the contrary, the rapid deployment nature of self-deployable networks short-circuits the thorough planning phase. The network needs to self-configure and self-organize. Moreover, the split between the RAN and the CN is only functional. In fact, in addition to providing typical RAN functionalities, such as radio signal processing and radio resource management, a base station can also provide those of the CN, such as session management, routing, and authentication, in addition to housing application servers, based on virtualization technologies. As a result, a base station with no backhaul connection to a traditional CN is capable of providing local services to users in its vicinity. To cover larger areas, several base stations must interconnect. With the CN functions co-located with the RAN, the links interconnecting the BSs form the backhaul network. Being setup by the BSs, potentially in an ad hoc manner, the latter may have a limited bandwidth.
In this thesis, we build on the properties distinguishing self-deployable networks to revisit classical RAN problems but in the self-deployable context, and address the novel challenges created by the core network architecture. Starting with the RAN configuration, we propose an algorithm that sets a frequency and power allocation scheme. The latter outperforms conventional frequency reuse schemes in terms of the achieved user throughput, and is robust facing variations in the number of users and their distribution in the network. Once the RAN is configured, we move to the CN organization, and address both centralized and distributed CN functions placements. For the centralized placement, building on the shortages of state of the art metrics, we propose a novel centrality metric that places the functions in a way that maximizes the traffic that can be exchanged in the network. For the distributed placement, we evaluate the number of needed instances of the CN functions and their optimal placement, taking into account the impact on the backhaul bandwidth. We further highlight the advantages of distributing CN functions, from a backhaul point of view.
Accordingly, we tackle the user attachment problem to determine the CN instances serving each user when the former are distributed. Finally, with the network ready to operate, and users starting to arrive, we tackle the user association problem. We propose a novel network-aware association policy adapted to the self-deployable network attributes, that outperforms a traditional RAN-based policy. It jointly accounts for the downlink, the uplink, the backhaul and the user throughput request, and mitigates both RAN and backhaul bottlenecks.
Les réseaux mobiles auto-déployables sont des réseaux qui peuvent être rapidement déployés, facilement installés, sur demande, n'importe où, et n'importe quand. Ils visent divers cas d'utilisation pour fournir des services aux utilisateurs lorsque le réseau classique ne peut pas être utilisé, ou n'existe pas : par exemple, lorsque le réseau est saturé lors d'événements publics, lorsque les services de secours ont besoin d’un réseau qui leur est dédié dans les situations critiques, ou lorsqu’on a besoin de couverture dans les zones isolées.
Ces réseaux font évoluer l’architecture d’un réseau classique, en éliminant la séparation physique qui existe entre le réseau d’accès et le cœur de réseau. La séparation entre les deux est désormais uniquement fonctionnelle, vu qu’une station de base est colocalisée avec les fonctionnalités traditionnelles du réseau de cœur, telles que la gestion de session et le routage, en plus des serveurs d’applications, à travers la virtualisation de ces derniers. Une station de base, toute seule, sans connexion à un réseau de cœur externe, est capable de fournir des services aux utilisateurs dans sa zone de couverture. Lorsque plusieurs stations de base sont interconnectées, les liens entre elles forment un réseau d'interconnexion, qui risque d’avoir une capacité limitée.
Dans ce travail, nous nous appuyons sur les propriétés qui distinguent les réseaux mobiles auto-déployables pour revisiter des problèmes classiques du réseau d’accès dans ce nouvel contexte, mais aussi pour aborder de nouveaux défis créés par l'architecture du réseau de cœur et du réseau d’interconnexion. Tout d’abord, pour la configuration du réseau d’accès, nous proposons un algorithme qui retourne un schéma d’allocation de fréquences et de puissances pour les stations de base. Notre proposition augmente considérablement les débits des utilisateurs en comparaison avec des schémas classiques de réutilisation de fréquences. Ensuite, nous nous intéressons à l'organisation du cœur de réseau. Nous traitons le problème de placement des fonctionnalités de ce dernier, qu’elles soient centralisées ou distribuées. Pour le placement centralisé, nous proposons une nouvelle métrique de centralité qui permet de placer les fonctions de façon à maximiser le trafic pouvant être échangé dans le réseau. Pour le placement distribué, nous évaluons le nombre de fonctions nécessaires et leur placement optimal, en tenant compte de l'impact sur la capacité du réseau d’interconnexion entre les stations de base. En outre, nous démontrons les avantages d’un placement distribué par rapport à un placement centralisé en terme de consommation de ressources sur le réseau d’interconnexion. Dans le même contexte, nous abordons le problème d’attachement des utilisateurs, lorsque les fonctionnalités du cœur de réseau sont distribuées, pour déterminer par laquelle de ces fonctionnalités un utilisateur est-il servi. Enfin, avec le réseau d’accès configuré et le cœur de réseau organisé, les utilisateurs commencent à arriver. Alors, nous abordons le problème de l'association des utilisateurs. Nous proposons une nouvelle politique d'association adaptée aux propriétés des réseaux auto-déployables. Cette politique réduit la probabilité de blocage par rapport aux politiques classiques basées uniquement sur la qualité de la voie descendante, en tenant compte à la fois des ressources du réseau d’accès, des ressources sur le réseau d’interconnexion, et des demandes des utilisateurs en terme de débit.
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