Resources allocation in high mobility scenarios of LTE networks Jean-Thierry Stephen Avocanh To cite this version: Jean-Thierry Stephen Avocanh. Resources allocation in high mobility scenarios of LTE networks. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Université Sorbonne Paris Cité, 2015. English. ￿NNT: 2015USPCD052￿. ￿tel-01661372￿ HAL Id: tel-01661372 https://theses.hal.science/tel-01661372 Submitted on 11 Dec 2017 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Number assigned by the library RESOURCES ALLOCATION IN HIGH MOBILITY SCENARIOS OF LTE NETWORKS Jean Thierry Stephen AVOCANH A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy Subject: Networks and Telecommunications th Defended and presented on October 16 , 2015 at Laboratoire de Traitement et Transport de l’Information (L2TI) École doctorale Galilée Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité Members of the jury : Pr. Jalel BEN-OTHMAN L2TI, Supervisor Dr. Marwen ABDENNEBI L2TI, Co-Supervisor Pr. Samir TOHME PRISM, Reviewer Pr. Hacène FOUCHAL CReSTIC, Reviewer Pr. Lynda MOKDAD LACL, Examiner Pr. Karim DJOUANI LISSI, Examiner Pr. Boubaker DAACHI MESR - UPL, Examiner Villetaneuse, France, 2015 N˚attribué par la bibliothèque ALLOCATION DE RESSOURCES RADIO DANS LES RESEAUX LTE A FORTE MOBILITE Jean Thierry Stephen AVOCANH Thèse pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université Paris 13 Spécialité: Réseaux et Télécommunications Présentée et soutenue publiquement le 16 Octobre 2015 au Laboratoire de Traitement et Transport de l’Information (L2TI) École doctorale Galilée Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité Devant le jury composé de : Pr. Jalel BEN-OTHMAN L2TI, Directeur de these Dr. Marwen ABDENNEBI L2TI, Co-Encadrant de these Pr. Samir TOHME PRISM, Rapporteur Pr. Hacène FOUCHAL CReSTIC, Rapporteur Pr. Lynda MOKDAD LACL, Examinateur Pr. Karim DJOUANI LISSI, Examinateur Pr. Boubaker DAACHI MESR - UPL, Examinateur Villetaneuse, France, 2015 Declaration of Authorship I, Jean Thierry Stephen AVOCANH, declare that this thesis titled, ’Resources allocation in high mobility scenarios of LTE networks’ and the work presented in it are my own. I confirm that: (cid:4) This work was done wholly or mainly while in candidature for a research degree at this University. (cid:4) Where any part of this thesis has previously been submitted for a degree or any other qualification at this University or any other institution, this has been clearly stated. (cid:4) Where I have consulted the published work of others, this is always clearly at- tributed. (cid:4) Where I have quoted from the work of others, the source is always given. With the exception of such quotations, this thesis is entirely my own work. (cid:4) I have acknowledged all main sources of help. Signed: Date: ii Résumé Cetteétudeportesurl’allocationderessourcesradiodanslesréseauxLTEàfortemobilité. Enparticulier,ils’agitdeconcevoirdesstratégiesd’allocationderessourcescapablesd’améliorer laqualitédeservicedesfluxmultimédiadansuncontextedefortemobilitédesterminaux. Pour atteindre ces objectifs, l’étude a été menée en deux étapes. Dans un premier temps les travaux se sont déroulés dans un contexte où l’aspect forte mobilité n’a pas été pris en compte. Cela a permis de bien maitriser tous les aspects liés à l’allocation de ressources dans le LTE tout en proposantdenouvellesméthodesmeilleuresquecellesexistantes. Unefoiscettetâcheaccomplie, l’aspect forte mobilité a été ajouté au problème et des stratégies adaptées à ce contexte ont été proposées. Néanmoins, dû aux différences entre les liens montants et descendants, l’étude a été menée dans les deux directions. Commepremièrecontribution,nousavonsconçudeuxstratégiespouraméliorerl’allocation deressourcessurlaliaisondescendantedansuncontexteoùlafortemobilitén’apasétépriseen compte. Lapremièreméthodeestunmécanismequiaméliorecetteallocationenparticulierdans les scénarios d’overbooking en faisant un compromis entre l’équité, le débit global du système et les exigences de qualité de service des applications. La seconde stratégie permet non seulement de satisfaire aux contraintes de délais mais également de garantir un très faible taux de perte de paquets aux services de type multimédias. Les performances des systèmes proposés ont été évaluées par des simulations en les comparant à d’autres mécanismes dans la littérature. Les analyses ont démontré leur efficacité et révélé qu’elles obtenaient les meilleures performances. Notre deuxième contribution a permis d’améliorer l’allocation de ressources toujours dans un contexte de non prise en compte de la forte mobilité, mais cette fois ci sur le lien montant et pour des flux de type vidéo téléphonie. Nous avons conçu un nouveau protocole qui réduit de façon considérable les retards causés par l’allocation dynamique des ressources. L’idée consiste à allouer des ressources à ces trafics en utilisant une stratégie semi-persistante associée à un processusdepré-allocation. Lesperformancesdenotreméthodeontétéévaluéesparsimulations et les résultats ont montré qu’elle fournissait le meilleur support en qualité de service. La dernière partie de nos travaux s’est intéressée au problème d’allocation de ressources dans les scénarios de fortes mobilités des terminaux. Dans cette partie, nous avons élaboré deux stratégiesefficacesconvenantauxscénariosvéhiculaires. Lapremièreméthodeestunetechnique permettantdemaintenirleniveaudequalitédeservicenécessairepourlebonfonctionnementdes applicationsvidéodesutilisateursayantlesvitesseslesplusélevées. Elleconsisteàdétermineren fonctiondesdifférentesvitessesdesutilisateurs,letauxminimumderapportsCQIàenvoyeràla station de base. Quant à la seconde stratégie, c’est un procédé d’ordonnancement opportuniste quiaméliorelaqualitédeservicedesapplicationsvidéodesutilisateursayantlesvitesseslesplus élevées. Avec cette stratégie, ces utilisateurs obtiennent une plus grande priorité et acquièrent ainsi beaucoup plus de ressources. Abstract Our thesis focuses on issues related to resources allocation in LTE Networks. In particular the purpose of this study is to design efficient scheduling algorithms to improve the QoS of real time flows in a context of high mobility of the users. To reach this goal, the study has been carried out in two steps. At first, in order to have an expert knowledge of the key facets of LTE scheduling, we conducted the study in a context where the high mobility aspect of the node was not taken into account. This helped not only to critically analyze the literature but also to propose new schemes to improve QoS of real time applications. After that, the high mobility parameterhasbeenaddedandinnovativemethodsdealingwiththiscontexthavebeendesigned. Nevertheless due to the existing differences between the downlink and the uplink, the issue was tackled in each of the aforementioned directions. We firstly addressed the problem of improving the scheduling of downlink communications inacontextwherethehighmobilitywasnottakenintoaccount. Twomajormethodshavebeen designedforthispurpose. Thefirstoneisaninnovativeschemewhichimprovesresourcesassign- ment in overbooking scenarios by doing a trade-off between fairness, overall system throughput and QoS requirements. The second one is an enhanced scheduling scheme which provides strict delay bounds and guarantees very low packet loss rate to multimedia flows. The performance of theproposedschemeshavebeenevaluatedbysimulationsandcomparedtootherschemesinthe literature. The analyses demonstrated their effectiveness and showed that they outperformed the existing ones. The second contribution concerned the problem of improving the scheduling of uplink communications in a context where the high mobility was not taken into account. We designed a novel scheduling protocol which improves resources allocation for videotelephony flows and reduces the delay caused by dynamic scheduling. It consists in scheduling such traffics using a semi-persistentstrategyassociatedwithaprovisioningprocess. Theperformanceofourproposed methodhavebeenevaluatedbysimulationsandresultsdemonstrateditseffectivenessbyshowing thatitimprovedvideotelephonyflowsperformanceandprovidedthebestQoSsupportcompared to the dynamic scheduling. Thelastcontributionaddressedtheproblemofresourcesallocationinhighmobilityscenar- ios. In this part, the high mobility aspect was taken into account for designing suitable schemes for vehicular scenarios. We proposed in this way two efficient strategies. The first one is a tech- nique which maintains the required level of QoS for supporting video users at high velocities. It consists in identifying depending on the UEs velocity, the minimum CQI reports rate in order to maintain the required QoS. The second proposed strategy is an opportunistic method which improves the performance of high speed video users. With this strategy, more priority are given to the UEs having the highest velocity. Simulations results demonstrated its effectiveness and showed that it improved the QoS support of video users having the highest velocity.