L'un des challenges le plus important pour les opérateurs des réseaux mobiles est de dimensionner le réseau de la manière la plus efficace possible, c'est-à-dire, bien planifier les ressources pour fournir une bonne couverture et une meilleure capacité. Afin de mieux gérer le trafic généré dans le réseau, les opérateurs déploient des petites cellules pour aider les macro-cellules à délester les zones de la cellule où le trafic de données est significativement supérieur au trafic moyen dans la cellule. Cependant, le problème majeur de ces réseaux hétérogènes consiste à bien localiser ces hotspots et puis de mettre en place la meilleure solution pour les absorber. Dans cette thèse, on traite le sujet de localisation de hotspot et on étudie l'impact de son imperfection sur les performances des déploiements des réseaux hétérogènes. Dans une première étape, on propose une nouvelle méthode de localisation de hotspot. Puis, on propose d'évaluer l'impact d'une mauvaise localisation de trafic sur le déploiement des petites cellules à travers une analyse de performances au niveau statique et dynamique. Sachant qu'une grande quantité de trafic de données dans le réseau mobile est générée par des utilisateurs qui sont en mouvement, on propose d'évaluer les performances des petites cellules mobiles. Enfin, la quatrième étape consiste à améliorer encore la solution de déploiement de petites cellules en utilisant les drones. On propose un mécanisme de décongestion du réseau et on discute les avantages et les points à explorer. Une analyse de performance est aussi réalisée pour comparer cette solution avec les solutions classiques de macro cellules et de petites cellules / The continuous increasing traffic in cellular networks has forced the mobile operators to look for efficient and viable options to manage their networks so as to ensure more efficiency over the network life cycle while also evolving with the implementation of new technologies. Traffic hotspot localization can help operators to identify the areas where deploying small cells can reduce the congestion. We firstly propose and assess a new traffic hotspot localization method based on the projection of O&M KPIs on the coverage map. Compared to probing methods, the computational costs and the equipment expenditures are reduced. Moreover, the localization accuracy is improved. Next, in order to evaluate the impact of the limited accuracy of traffic localization tools on small cell deployment, we study the performances of three different scenarios. The first one considers a network of macrocells only and represents a benchmark to decide about the usefulness of small cells. The second one is based on a network of macrocells with a perfectly deployed small cell allowing to identify the limitations of small cell deployment and the last one is with an imperfectly deployed small cell. Realizing that a significant amount of cellular demand is generated on the go and suffers deteriorating quality, we investigate the potential performance gains of using moving small cells. The major outcome is to understand if moving cells leverage the relative operators' investments. Finally, we propose a new mobile data offloading mechanism which capitalizes on drone small cells to alleviate the data traffic load. We realize a performance evaluation and comparison with classic small cell deployment

Heterogeneous wireless networking technologies such as satellite, UMTS, WiMax and WLAN are being used to provide network access for both voice and data services. In big cities, the densely populated areas like town centres, shopping centres and train stations may have coverage of multiple wireless networks. Traditional Radio Access Technology (RAT) selection algorithms are mainly based on the ¿Always Best Connected¿ paradigm whereby the mobile nodes are always directed towards the available network which has the strongest and fastest link. Hence a large number of mobile users may be connected to the more common UMTS while the other networks like WiMax and WLAN would be underutilised, thereby creating an unbalanced load across these different wireless networks. This high variation among the load across different co-located networks may cause congestion on overloaded network leading to high call blocking and call dropping probabilities. This can be alleviated by moving mobile users from heavily loaded networks to least loaded networks. This thesis presents a novel framework for load balancing in heterogeneous wireless networks incorporating the IEEE 802.21 Media Independent Handover (MIH). The framework comprises of novel load-aware RAT selection techniques and novel network load balancing mechanism. Three new different load balancing algorithms i.e. baseline, fuzzy and neural-fuzzy algorithms have also been presented in this thesis that are used by the framework for efficient load balancing across the different co-located wireless networks. A simulation model developed in NS2 validates the performance of the proposed load balancing framework. Different attributes like load distribution in all wireless networks, handover latencies, packet drops, throughput at mobile nodes and network utilization have been observed to evaluate the effects of load balancing using different scenarios. The simulation results indicate that with load balancing the performance efficiency improves as the overloaded situation is avoided by load balancing.

Design trade-offs between estimation performance, processing delay and communication cost for a sensor scheduling problem is discussed. We consider a heterogeneous sensor network with two types of sensors: the first type has low-quality measurements, small processing delay and a light communication cost, while the second type is of high quality, but imposes a large processing delay and a high communication cost. Such a heterogeneous sensor network is common in applications, where for instance in a localization system the poor sensor can be an ultrasound sensor while the more powerful sensor can be a camera. Using a time-periodic Kalman filter, we show how one can find an optimal schedule of the sensor communication. One can significantly improve estimation quality by only using the expensive sensor rarely. We also demonstrate how simple sensor switching rules based on the Riccati equation drives the filter into a stable time-periodic Kalman filter. ￜ 2008 IEEE. / <p>QC 20110224</p>

Orientadores: Mauricio Ferreira Magalhães, Fabio Luciano Verdi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e Computação / Made available in DSpace on 2018-08-09T14:41:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Wong_Walter_M.pdf: 1265045 bytes, checksum: 15a2435e5676b973ffe726e4757323e4 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: A concepção original da arquitetura da Internet foi baseada em uma rede fixa e confiável. Hoje em dia, a Internet se tornou dinâmica e vulnerável aos ataques de segurança. Também não era prevista a necessidade de integração de tecnologias heterogêneas nem de ambientes sem fio. A arquitetura atual apresenta uma série de barreiras técnicas para prover estes serviços, sendo uma das maiores a sobrecarga semântica do Internet Protocol (IP). O endereço IP atua como localizador na camada de rede e como identificador na camada de transporte, impossibilitando novas funcionalidades como a mobilidade e abrindo brechas de segurança. Este trabalho apresenta uma proposta de implementação de uma arquitetura para Internet de nova geração para o provisionamento de novos serviços de forma natural e integrada para a Internet atual. A proposta de arquitetura de implementação oferece suporte à mobilidade, ao multihoming, à segurança, à integração de redes heterogêneas e às aplicações legadas através da introdução de uma nova camada de identificação na arquitetura atual. Esta nova camada tem por objetivo separar a identidade da localização e se tornar uma opção de comunicação para as redes heterogêneas. Mecanismos adicionais foram propostos para prover o suporte às funcionalidades da arquitetura, tais como a resolução de nomes em identificadores, o roteamento baseado no identificador, a gerência de localização e um plano de controle para a troca de mensagens de sinalização fim-a-fim entre os componentes da arquitetura. Para a validação da arquitetura proposta, um protótipo foi implementado e vários testes de desempenho foram realizados para avaliação do overhead da implementação, do modelo de segurança, da robustez e do suporte à mobilidade e às aplicações legadas / Abstract: The original concept of the Internet architecture was based on static and reliable networks. Nowadays, the Internet became more dynamic and vulnerable to security attacks. The integration of heterogeneous technologies and wireless environment were not predicted. The current architecture presents some technical barriers to provide these services. One of these problems is the semantic overload of the Internet Protocol (IP). The IP address acts as locator in the network layer and identifier in the transport layer, preventing new features such as mobility and allowing security flaws. This work presents an implementation proposal of a next generation Internet architecture to provide new services naturally integrated to the Internet. The implementation proposal supports mobility, multihoming, security, heterogeneous networks integration and legacy applications by the introduction of a new identification layer in the current architecture. This new layer will separate the identity from the location and become an option for communication between heterogeneous networks. Additional mechanisms were proposed to support the new functionalities of the architecture, e.g., resolution of names to identifiers, identifier-based routing, location management and a control plane to exchange end-toend signalling control messages between the components of the architecture. In order to evaluate the proposed architecture, a prototype was implemented and some tests were performed considering implementation overhead, security model, robustness and support for mobility and legacy applications / Mestrado / Engenharia de Computação / Mestre em Engenharia Elétrica

Les réseaux mobiles de la cinquième génération (5G) sont conçus pour introduire de nouveaux services nécessitant des débits de données extrêmement hauts et une faible latence. 5G sera un changement de paradigme qui comprend des réseaux hétérogènes densifiés, des réseaux d'accès radio virtualisés, des fréquences porteuses à ondes millimétrées et des densités de périphériques très élevées. Cependant, contrairement aux générations précédentes, 5G sera un réseau holistique, intégrant n'importe quelle nouvelle technologie radio avec les technologies LTE et WiFi existant. Dans ce contexte, on se concentre sur de nouvelles stratégies d'allocation de ressources capables de bénéficier du multihoming dans le cas d'accès double au réseau. On modélise ces algorithmes au niveau du flux et analyse leurs performances en termes de débit, de stabilité du système et d'équité entre différentes catégories d'utilisateurs. On se concentre tout d'abord sur le multihoming dans les réseaux hétérogènes LTE/WiFi. On considère les allocations centrées sur le réseau où un planificateur central effectue des allocations d'équité proportionnelle (PF) locale et globale pour différentes classes d'utilisateurs, utilisateurs individuels (single-homed) et multi-domiciliés (multihomed). Par rapport à un modèle de référence sans multihoming, on montre que les deux stratégies améliorent la performance et la stabilité du système, au détriment d'une plus grande complexité pour la stratégie PF globale. On étudie également les stratégies d'allocation centrées sur l'utilisateur, dans lesquelles les utilisateurs multihomed décident la partition de la demande d'un fichier en utilisant soit la maximisation du débit crête, soit la stratégie assistée par réseau. On montre que cette dernière stratégie maximise le débit moyen dans l'ensemble du réseau. On montre également que les stratégies centrées sur le réseau permettent d'obtenir des débits de données plus élevés que ceux centrés sur l'utilisateur. Ensuite, on se concentre sur les réseaux d'accès radio virtuels (V-RAN) et en particulier sur l'allocation de multi-ressources. On étudie la faisabilité de la virtualisation sans diminuer ni la performance des utilisateurs, ni la stabilité du système. On considère un réseau hétérogène 5G composé de cellules LTE et mm-wave afin d'étudier comment les réseaux hauts fréquence peuvent augmenter la capacité du système. On montre que la virtualisation du réseau est réalisable sans perte de performance lors de l'utilisation de la stratégie « dominant resource fairness » (DRF). On propose une stratégie d'allocation en deux phases (TPA) qui montre un indice d'équité plus élevé que DRF et une stabilité du système plus élevée que PF. On montre également des gains importants apportés par l'adoption des fréquences mm-wave au lieu de WiFi. Finalement, on considère l'efficacité énergétique et compare les stratégies DRF et TPA avec une stratégie éconergétique basée sur l'algorithme de Dinklebach. Les résultats montrent que la stratégie éconergétique dépasse légèrement DRF et TPA à charge faible ou moyenne en termes de débit moyen plus élevé avec une consommation d'énergie comparable, alors qu'elle les surpasse à une charge élevée en termes de consommation d'énergie moins élevée. Dans ce cas de charge élevée, DRF surpasse TPA et la stratégie éconergétique en termes de débit moyen. En ce qui concerne l'indice d'équité de Jain, TPA réalise l'indice d'équité le plus élevé parmi d'autres stratégies / Fifth generation mobile networks (5G) are being designed to introduce new services that require extreme broadband data rates and utlra-reliable latency. 5G will be a paradigm shift that includes heterogeneous networks with densification, virtualized radio access networks, mm-wave carrier frequencies, and very high device densities. However, unlike the previous generations, it will be a holistic network, tying any new 5G air interface and spectrum with the currently existing LTE and WiFi. In this context, we focus on new resource allocation strategies that are able to take advantage of multihoming in dual access settings. We model such algorithms at the flow level and analyze their performance in terms of flow throughput, system stability and fairness between different classes of users. We first focus on multihoming in LTE/WiFi heterogeneous networks. We consider network centric allocations where a central scheduler performs local and global proportional fairness (PF) allocations for different classes of users, single-homed and multihomed users. By comparison with a reference model without multihoming, we show that both strategies improve system performance and stability, at the expense of more complexity for the global PF. We also investigate user centric allocation strategies where multihomed users decide the split of a file using either peak rate maximization or network assisted strategy. We show that the latter strategy maximizes the average throughput in the whole network. We also show that network centric strategies achieve higher data rates than the user centric ones. Then, we focus on Virtual Radio Access Networks (V-RAN) and particularly on multi-resource allocation therein. We investigate the feasibility of virtualization without decreasing neither users performance, nor system's stability. We consider a 5G heterogeneous network composed of LTE and mm-wave cells in order to study how high frequency networks can increase system's capacity. We show that network virtualization is feasible without performance loss when using the dominant resource fairness strategy (DRF). We propose a two-phase allocation (TPA) strategy which achieves a higher fairness index than DRF and a higher system stability than PF. We also show significant gains brought by mm-wave instead of WiFi. Eventually, we consider energy efficiency and compare DRF and TPA strategies with a Dinklebach based energy efficient strategy. Our results show that the energy efficient strategy slightly outperforms DRF and TPA at low to medium load in terms of higher average throughput with comparable power consumption, while it outperforms them at high load in terms of power consumption. In this case of high load, DRF outperforms TPA and the energy efficient strategy in terms of average throughput. As for Jain's fairness index, TPA achieves the highest one

Le réseau mobile d’Orange France comprend plus de 100 000 antennes 2G, 3G et 4G sur plusieurs bandes de fréquences sans compter les nombreuses femto-cells fournies aux clients pour résoudre les problèmes de couverture. Ces chiffres ne feront que s’accroître pour répondre à la demande sans cesse croissante des clients pour les données mobiles. Cela illustre le défi énorme que rencontrent les opérateurs de téléphonie mobile en général à savoir gérer un réseau aussi complexe tout en limitant les coûts d’opération pour rester compétitifs. Cette thèse s’attache à utiliser le concept SON (réseaux auto-organisants) pour réduire cette complexité en automatisant les tâches répétitives ou complexes. Plus spécifiquement, nous proposons des algorithmes d’optimisation automatique pour des scénarios liés à la densification par les small cells ou les antennes actives. Nous abordons les problèmes classiques d’équilibrage de charge mais avec un lien backhaul à capacité limitée et de coordination d’interférence que ce soit dans le domaine temporel (notamment avec le eICIC) ou le domaine fréquentiel. Nous proposons aussi des algorithmes d’activation optimale de certaines fonctionnalités lorsque cette activation n’est pas toujours bénéfique. Pour la formulation mathématique et la résolution de tous ces algorithmes, nous nous appuyons sur les résultats de l’approximation stochastique et de l’optimisation convexe. Nous proposons aussi une méthodologie systématique pour la coordination de multiples fonctionnalités SON qui seraient exécutées en parallèle. Cette méthodologie est basée sur les jeux concaves et l’optimisation convexe avec comme contraintes des inégalités matricielles linéaires. / The mobile network of Orange in France comprises more than 100 000 2G, 3G and 4G antennas with severalfrequency bands, not to mention many femto-cells for deep-indoor coverage. These numbers will continue toincrease in order to address the customers’ exponentially increasing need for mobile data. This is an illustrationof the challenge faced by the mobile operators for operating such a complex network with low OperationalExpenditures (OPEX) in order to stay competitive. This thesis is about leveraging the Self-Organizing Network(SON) concept to reduce this complexity by automating repetitive or complex tasks. We specifically proposeautomatic optimization algorithms for scenarios related to network densification using either small cells orActive Antenna Systems (AASs) used for Vertical Sectorization (VeSn), Virtual Sectorization (ViSn) and multilevelbeamforming. Problems such as load balancing with limited-capacity backhaul and interference coordination eitherin time-domain (eICIC) or in frequency-domain are tackled. We also propose optimal activation algorithms forVeSn and ViSn when their activation is not always beneficial. We make use of results from stochastic approximationand convex optimization for the mathematical formulation of the problems and their solutions. We also proposea generic methodology for the coordination of multiple SON algorithms running in parallel using results fromconcave game theory and Linear Matrix Inequality (LMI)-constrained optimization.