Cette étude porte sur l’allocation de ressources radio dans les réseaux LTE à forte mobilité. En particulier, il s’agit de concevoir des stratégies d’allocation de ressources capables d’améliorer la qualité de service des flux multimédia dans un contexte de forte mobilité des terminaux. 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 proposant de nouvelles méthodes meilleures que celles existantes. Une fois cette tâche accomplie, 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. Comme première contribution, nous avons conçu deux stratégies pour améliorer l’allocation de ressources sur la liaison descendante dans un contexte où la forte mobilité n’a pas été prise en compte. La première méthode est un mécanisme qui améliore cette allocation en particulier dans 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 processus de pré-allocation. Les performances de notre méthode ont été évaluées par simulations 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 stratégies efficaces convenant aux scénarios véhiculaires. La première méthode est une technique permettant de maintenir le niveau de qualité de service nécessaire pour le bon fonctionnement des applications vidéo des utilisateurs ayant les vitesses les plus élevées. Elle consiste à déterminer en fonction des différentes vitesses des utilisateurs, le taux minimum de rapports CQI à envoyer à la station de base. Quant à la seconde stratégie, c’est un procédé d’ordonnancement opportuniste qui améliore la qualité de service des applications vidéo des utilisateurs ayant les vitesses les plus 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 parameter has been added and innovative methods dealing with this context have been designed. 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 in a context where the high mobility was not taken into account. Two major methods have been designed for this purpose. The first one is an innovative scheme which improves resources assignment in overbooking scenarios by doing a trade-off between fairness, overall system through put 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 the proposed schemes have been evaluated by simulations and compared to other schemes in the 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-persistent strategy associated with a provisioning process. The performance of our proposed method have been evaluated by simulations and results demonstrated its effectiveness by showing that it improved videotelephony flows performance and provided the best QoS support compared to the dynamic scheduling.The last contribution addressed the problem of resources allocation in high mobility scenarios. 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 technique 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.

The next generation of cellular networks is expected to carry high speed IP traffic in a packet switched environment in order to accommodate data traffic for a wide range of services. Much research is thus focused on how to increase the transmission rate in cellular networks. A general consequence of increasing transmission rate in a radio link is a corresponding increase in transmit power, resulting in increased interference and reduced network capacity. The straightforward way to reduce this effect is to shorten the link distance, which in the cellular case means shrinking the cells. This, however, means increased control traffic for handoffs and location registration, as well as increased infrastructure costs. An alternative approach, which has received increased attention lately, is the introduction of wireless multihop access networks to relay traffic between the wired infrastructure and the users. Such an access network must clearly accommodate all types of services expected to operate in next generation systems, including real-time services. However, wireless multihop networks have traditionally had problems meeting the delay requirements posed by such services. In this thesis, we will study the delay performance through analysis and simulation of such a network, based on the Virtual Cellular Network proposal [1], in which geographically fixed wireless relays are deployed to act as both network nodes and user relays. / Nästa generations mobilnät förväntas bära paketväxlad höghastighetstraffik för att kunna stödja en stor mängd varierande tjänster. Mycket forskning har däför fokuserat på transmissionshastigheten i mobilnäten. En generell konsekvens av att öka transmissionshastigheten i ett radiobaserat nätverk är en motsvarande ökning i transmissionsstyrkan, vilket resulterar i ökad interferens och följaktligen minskad kapacitet. En lösning på det problemet är att minska avståndet mellan sändare och mottagare, vilket i fallet med dagens mobila infrastruktur innebär mindre, och fler celler. Detta skulle dock innebära både ökad kontrolltraffik och större kostnader för planering och underhåll av infrastruktur. En alternativ väg, som den senaste tiden fått ökad uppmärksamhet, är införandet av ett trådlöst vidarebefordrande accessnätverk mellan de mobila stationerna och det fasta nätet. Ett sådant nätverk måste naturligtvis kunna ackommodera samtliga typer av tjänster som förväntas utnyttja nästa generations mobilnät, inklusive realtidstjänster. Dock har kraven på låg fördröjning hos denna typ av tjänster traditionellt inneburit problem problem för vidarebefordrande trådlösa nätverk. I denna rapport studeras fördröjningskaraktären hos ett sådant nätverk, baserat på konceptet Virtual Cellular Network [1], i vilket geografiskt fixerade radionoder vidarebefordrar traffik mellan mobila stationer och det fasta nätet.

Data connectivity between cellular devices can be achieved in different ways. It is possible to enable full IPconnectivity in the cellular networks. However this connectivity is combined with a lot of issues such as security problems and the IPv4 address space being depleted. As a result of this many operators use Network Address Translation in their packet data networks, preventing users in different networks from being able to contact each other. Even if a transition to IPv6 takes place and the potential problem of address space is solved, it is not likely that operators will leave their packet data networks open to the Internet. An alternative to solving the problem on the IP level is to use overlay networks. In an overlay network applications on the cellular devices identify themselves at the application level rather than on the IP level. While full IP connectivity always gives the most efficient routing, an overlay network can offer services that are difficult to implement on the IP level. This can enable an application to span Network Address Translating entities without having to share the entire device. They can also provide private dynamic virtual networks and groups for users that trust each other. These private networks can use permissions and group casting functions, without the problems associated with traditional IP multicast. The relatively limited bandwidths of the GSM and UMTS networks allow for application level routing of continuous data streams if the overlay network is distributed enough and mapped to the physical network in an efficient way. One of the advantages of using overlay networks is that although standard IP networks may be able to offer similar services in the future, overlay networks can be implemented in the existing IPv4 networks today at comparatively low costs. This may create the incentive needed in order for future larger investments to be justified. A distributed overlay network not only allows for real-time services such as instant messaging, which is already possible with a centralized server solution, but it also allows for higher bandwidth services such as video conferencing, Voice over IP, etc. that are not possible on a large scale with a centralized relaying server. An overlay network could be implemented by any third party without the support of an operator. This suggests that free networks may be created for what could be called reversed file sharing, i.e. networks where users upload files to each other rather than download as in most existing file sharing networks. These could become direct competitors to SMS, MMS and other operator-owned services. The thesis investigates the mentioned possibilities and potential threats. Along with this an implementation of an overlay network for cellular devices is created that is totally independent of the operator’s network. / Datakonnektivitet mellan cellulära terminaler kan uppnås på olika sätt. Ett sätt är att utrusta de cellulära näten med full IP konnektivitet. Detta medför dock en del problem såsom säkerhetsfrågor och problem med att antalet IPv4 addresser kanske inte kan täcka framtidens behov. På grund av detta använder många operatörer såkallad nätverksadressöversättning i sina paketdatanät vilket hindrar användare i olika paketdatanät från att kunna kontakta varandra. Även om en framtida övergång till IPv6 löser problemen med för liten adressrymd så är det inte troligt att operatörerna kommer att lämna sina paketdatanät öppna mot resten av Internet. Ett alternativ till att lösa problemet på IP-nivån är att istället använda overlaynätverk. I ett sådant nätverk identifierar applikationer sig själva på applikationsnivån istället för på IP-nivån. Medans ren IP-konnektivitet innebär effektivast möjliga routing av data så erbjuder ett overlaynätverk möjlighet till tjänster som är svåra att implementera på IP-nivå. Bland annat kan applikationsnät som traverserar nätverksadressöversatta nätverk skapas utan att en mobil terminal behöver exponeras helt och hållet mot Internet. Dessa overlaynätverk kan också skapas dynamiskt och tillfälligt vilket ger användare möjlighet att skapa privata nätverk och grupper med med enheter de litar på, endast dessa får då tillgång till terminalen. Overlaynätverken kan också erbjuda multicast funktionalitet inom grupperna utan de problem som hör ihop med traditionell IP-multicast. De relativt begränsade bandbredderna i GSM och UMTS nätverken tillåter routing av data på applikationsnivån om overlaynätverket är tillräckligt väl distribuerat och effektivt mappat mot det underliggande nätverket. En av fördelarna med att använda overlaynätverk är att även om den eftersökta funktionaliteten kanske kan implementeras på IP-nivå i framtiden med hjälp av ny teknik så kan overlaynätverk implementeras i nuvarande IPv4-nätverk till relativt låga kostnader då de endast består av mjukvara som körs på existerande hårdvara. Ett distribuerat overlaynätverk erbjuder inte bara realtidstjänster såsom instant messaging vilket redan är möjligt och fungerar bra med en central serverlösning. Det distribuerade nätverket kan dessutom hantera routing av högre bandbredder mellan terminaler, såsom videokonferenser, Voice over IP etc. som inte är möjligt i stor skala med en centraliserad lösning. Overlaynätverk kan implementeras av en tredjepart utan operatörers samarbete. Detta kan innebära att gratisnätverk skapas för vad som skulle kunna kallas omvänd fildelning, dvs. nätverk där användare laddar upp information till varandra snarare än laddar ner vilket är fallet i de flesta existerande fildelningsnätverk. Dessa nätverk skulle kunna bli direkta konkurrenter till SMS, MMS och andra operatörsägda tjänster. Examensarbetet undersöker de nämnda möjligheterna och potentiella hoten i dessa nätverk. Utöver detta skapas även en implementation av ett overlaynätverk som är helt oberoende av operatörens nätverk.