Les évolutions technologies mobiles majeures, tels que les réseaux mobiles 3G, HSPA+ et LTE, ont augmenté de façon significative la capacité des données véhiculées sur liaison radio. Alors que les avantages de ces évolutions sont évidents à l’usage, un fait moins connu est que ces améliorations portant principalement sur l’accès radio nécessitent aussi des avancées technologiques dans le réseau de collecte (backhaul) pour supporter cette augmentation de bande passante. Les fournisseurs d’accès Internet (FAI) et les opérateurs de réseau mobile doivent relever un réel défi pour accompagner l’usage des smartphones. Les coûts opérationnels associés aux méthodes traditionnelles de backhaul augmentent plus vite que les revenus générés par les nouveaux services de données. Ceci est particulièrement vrai lorsque le réseau backhaul doit lui-même être construit sur des liens radio. Un tel réseau de backhaul mobile nécessite (i) une gestion de qualité de service (QoS) liée au trafic avec des exigences strictes en matière de délai et de gigue, (ii) une haute disponibilité / fiabilité. Alors que la plupart des FAI et des opérateurs de réseau mobile font état des avantages de mécanismes de redondance et de résilience pour garantir une haute disponibilité, force est de constater que les réseaux actuels sont encore exposés à des indisponibilités. Bien que les causes de ces indisponibilités soient claires, les fluctuations rapides et / ou des pannes imprévues du trafic continuent d’affecter les plus grands opérateurs. Mais ces opérateurs ne pourraient-ils pas mettre en place des modèles et des mécanismes pour améliorer la survie des réseaux pour éviter de telles situations ? Les opérateurs de réseaux mobiles peuvent-ils mettre en place ensemble des solutions à faible coût qui assureraient la disponibilité et la fiabilité des réseaux ? Compte tenu de ce constat, cette thèse vise à : (i) fournir des solutions de backhaul à faible coût ; l’objectif est de construire des réseaux sans fil en ajoutant de nouvelles ressources à la demande plutôt que par sur-dimensionnements, en réponse à un trafic inattendu surgit ou à une défaillance du réseau, afin d’assurer une qualité supérieure de certains services (ii) fournir des communications sans interruption, y compris en cas de défaillance du réseau, mais sans redondance. Un léger focus porte sur l’occurrence de ce problème sur le lien appelé «dernier kilomètre» (last mile). Cette thèse conçoit une nouvelle architecture de réseaux backhaul mobiles et propose une modélisation pour améliorer la survie et la capacité de ces réseaux de manière efficace, sans reposer sur des mécanismes coûteux de redondance passive. Avec ces motivations, nous étudions le problème de partage de ressources d'un réseau de backhaul entre opérateurs concurrents, pour lesquelles un accord de niveau de service (SLA) a été conclu. Ainsi, nous présentons une étude systématique de solutions proposées portant sur une variété d’heuristiques de partage empiriques et d'optimisation des ressources. Dans ce contexte, nous poursuivons par une étude sur un mécanisme de recouvrement après panne qui assure efficacement et à faible coût la protection et la restauration de ressources, permettant aux opérateurs via une fonction basée sur la programmation par contraintes de choisir et établir de nouveaux chemins en fonction des modèles de trafic des clients finaux. Nous illustrons la capacité de survie des réseaux backhaul disposant d’un faible degré de redondance matérielle, par la gestion efficace d’équipements de réseau de backhaul répartis géographiquement et appartenant aux différents opérateurs, en s’appuyant sur des contrôleurs logiquement centralisés mais physiquement distribués, en respectant des contraintes strictes sur la disponibilité et la fiabilité du réseau / Revolutionary mobile technologies, such as high-speed packet access 3G (HSPA+) and LTE, have significantly increased mobile data rate over the radio link. While most of the world looks at this revolution as a blessing to their day-to-day life, a little-known fact is that these improvements over the radio access link results in demanding tremendous improvements in bandwidth on the backhaul network. Having said this, today’s Internet Service Providers (ISPs) and Mobile Network Operators (MNOs) are intemperately impacted as a result of this excessive smartphone usage. The operational costs (OPEX) associated with traditional backhaul methods are rising faster than the revenue generated by the new data services. Building a mobile backhaul network is very different from building a commercial data network. A mobile backhaul network requires (i) QoS-based traffic with strict requirements on delay and jitter (ii) high availability/reliability. While most ISPs and MNOs have promised advantages of redundancy and resilience to guarantee high availability, there is still the specter of failure in today’s networks. The problems of network failures in today’s networks can be quickly but clearly ascertained. The underlying observation is that ISPs and MNOs are still exposed to rapid fluctuations and/or unpredicted breakdowns in traffic; it goes without saying that even the largest operators can be affected. But what if, these operators could now put in place designs and mechanisms to improve network survivability to avoid such occurrences? What if mobile network operators can come up with low-cost backhaul solutions together with ensuring the required availability and reliability in the networks? With this problem statement in-hand, the overarching theme of this dissertation is within the following scopes: (i) to provide low-cost backhaul solutions; the motivation here being able to build networks without over-provisioning and then to bring-in new resources (link capacity/bandwidth) on occasions of unexpected traffic surges as well as on network failure conditions for particularly ensuring premium services (ii) to provide uninterrupted communications even at times of network failure conditions, but without redundancy. Here a slightly greater emphasis is laid on tackling the ‘last-mile’ link failures. The scope of this dissertation is therefore to propose, design and model novel network architectures for improving effective network survivability and network capacity, at the same time by eliminating network-wide redundancy, adopted within the context of mobile backhaul networks. Motivated by this, we study the problem of how to share the available resources of a backhaul network among its competitors, with whom a Service Level Agreement (SLA) has been concluded. Thus, we present a systematic study of our proposed solutions focusing on a variety of empirical resource sharing heuristics and optimization frameworks. With this background, our work extends towards a novel fault restoration framework which can cost-effectively provide protection and restoration for the operators, enabling them with a parameterized objective function to choose desired paths based on traffic patterns of their end-customers. We then illustrate the survivability of backhaul networks with reduced amount of physical redundancy, by effectively managing geographically distributed backhaul network equipments which belong to different MNOs using ‘logically-centralized’ physically-distributed controllers, while meeting strict constraints on network availability and reliability

Les travaux décrits dans cette thèse de doctorat visent à traiter les futures architectures de fourniture de services mobiles basés sur le cloud, à travers l'évolution des infrastructures réseau partant de Mobile Cloud Computing (MCC) au Mobile Edge Computing (MEC). Nous nous sommes essentiellement concentrés sur le concept Follow Me Cloud (FMC) comme une nouvelle stratégie de fourniture de services pour une meilleure expérience utilisateur et une utilisation efficace des ressources. Cela permet aux services basés sur le cloud de "suivre" leurs utilisateurs mobiles au cours de leurs déplacements à travers les technologies de réseau d'accès, tout en fournissant le service basé sur le cloud via le point de service le plus optimal au sein de l'infrastructure cloud. Plusieurs contributions sont proposées dans cette thèse, avec des évaluations à la fois en analyse théorique et en simulation scientifique.Premièrement, nous avons proposé une architecture alternative FMC qui permet: (i) d'ouvrir la conception FMC sur les technologies d'accès réseau mobile non-3GPP (ii) d'assurer l'interopérabilité entre différents domaines PMIPv6 permettant au MN une itinérance inter-domaines PMIPv6 avec une mobilité IP transparente ainsi qu'une continuité de session de service.(iii) d'offrir une architecture sans tunnel dans les situations d'itinérance de MN, en évitant ainsi toute surcharge supplémentaire liée aux tunnels dans la gestion de la mobilité. Le schéma proposé exploite la technologie SDN/OpenFlow et le protocole de gestion de la mobilité PMIPv6 en les intégrant dans un unique framework permettant de réaliser la vision FMC.Deuxièmement, pour aborder les problèmes d'évolutivité et de résilience dans les architectures SDN/OpenFlow centralisées de plan de contrôle, nous avons introduit une nouvelle conception d'un contrôleur SDN élastique et distribué adapté pour MCC et plus particulièrement pour les systèmes de gestion FMC. Nous avons illustré comment le nouveau schéma de plan de contrôle est distribué sur une architecture hiérarchique à deux niveaux, un premier niveau avec un seul contrôleur SDN global et un second niveau avec plusieurs contrôleurs SDN locaux. Ensuite, nous avons présenté les éléments constitutifs de notre nouvel framework de plan contrôle, le calcul de l'indicateur de performance (KPI) du système, et nous avons fixé l'objectif clé de notre conception visant à maintenir la valeur KPI du système dans une fenêtre de seuil prédéfinie. Enfin, nous avons démontré comment cet objectif est atteint en adaptant dynamiquement le nombre et l'emplacement des contrôleurs SDN locaux en utilisant la technologie NFV pour provisionner les contrôleurs SDN en tant que instances VNF (fonction réseau virtuelle) dans le cloud.Troisièmement, nous avons introduit le concept FMeC, exploitant les capacités offertes par la combinaison des architectures MEC et FMC dans le but de satisfaire aux exigences des systèmes automobiles 5G. Nous avons commencé par définir les éléments clés du concept FMeC permettant de fournir la technologie FMC en bordure des réseaux mobiles. Ensuite, nous avons présenté une projection de notre solution FMeC sur un cas d'utilisation de conduite automatisée intégrant l'industrie automobile aux infrastructures Telecom en vue de la vision automobile 5G future. Avec une focalisation sur les types de communications V2I/N, nous avons présenté la conception de notre architecture FMeC basée sur les technologies SDN/OpenFlow et les entités de l'infrastructure MEC dont les ressources sont mises en commun pour fournir un cloud de bordure fédéré. Enfin, nous avons présenté notre framework sensible à la mobilité pour le placement des services dans le cloud de bordure, ce dernier est fondé sur un ensemble d'algorithmes de base qui permettent d'atteindre les exigences de QoS de la conduite automatisée en termes de latence ultra-courte au sein du réseau 5G. / This Ph.D. thesis aims to deal with the future delivery architectures of mobile cloud-based services, through network infrastructures evolving from Mobile Cloud Computing (MCC) to Mobile Edge Computing (MEC). We mainly focused on Follow Me Cloud (FMC) concept as a new service delivery strategy for improved user experience and efficient resource utilization. That enables cloud-based services to follow their mobile users during their movement across access network technologies and by delivering the cloud-service via the optimal service point inside the cloud infrastructure. Several contributions are proposed in this thesis and evaluated in both theoretical analysis and scientific simulation.First, we proposed an alternative FMC architecture that allows: (i) to open the FMC design on non-3GPP mobile network access technologies (ii) to provide interoperability among different PMIPv6 domains permitting MNs inter-PMIPv6 domain roaming with seamless IP mobility and service session continuity (iii) to offer a tunnel-free architecture in MNs roaming situation, avoiding any additional overhead associated with tunneling in mobility management. This proposed scheme leverage SDN/OpenFlow technology and PMIPv6 mobility management protocol by integrating them within a framework permitting to realize the FMC vision.Second, to address the scalability and resiliency concerns in centralized SDN/OpenFlow control plane architecture, we introduced a new design of an elastic distributed SDN controller tailored for Mobile Cloud Computing (MCC) and more notably for Follow Me Cloud (FMC) management systems. We illustrated how the new control plane scheme is distributed on two-level hierarchical architecture, a first level with a single global SDN controller and a second level with several local SDN controllers. Then, we presented the building blocks of our novel control plane framework, the system Key Performance Indicator (KPI) computation and set the key objective of our design aiming to keep the system KPI value within a predefined threshold window. Last, we proved how this goal is achieved by adapting the number of local SDN controllers and their locations in an elastic manner and deploying them as VNF instances on the cloud thanks to NFV technology.Third, we introduced FMeC concept, leveraging the intertwining of MEC and FMC architectures with the aim of sustaining requirements of the 5G automotive systems. We began by defining FMeC key concept elements permitting to provide FMC technology at the edge of mobile networks. Then, we presented an automated driving use case projection of our FMeC solution integrating automotive with Telco infrastructures towards the future 5G automotive vision. Focusing on the V2I/N communications types, we introduced our FMeC design architecture based on SDN/OpenFlow technologies and MEC infrastructure entities whose resources are pooled together to provide a federated edge clouds. Finally, we presented our mobility-aware framework for edge-cloud service placement based on a set of basic algorithms that permit achieving the automated driving QoS requirements in terms of ultra-short latency within 5G network.

Revolutionary mobile technologies, such as high-speed packet access 3G (HSPA+) and LTE, have significantly increased mobile data rate over the radio link. While most of the world looks at this revolution as a blessing to their day-to-day life, a little-known fact is that these improvements over the radio access link results in demanding tremendous improvements in bandwidth on the backhaul network. Having said this, today's Internet Service Providers (ISPs) and Mobile Network Operators (MNOs) are intemperately impacted as a result of this excessive smartphone usage. The operational costs (OPEX) associated with traditional backhaul methods are rising faster than the revenue generated by the new data services. Building a mobile backhaul network is very different from building a commercial data network. A mobile backhaul network requires (i) QoS-based traffic with strict requirements on delay and jitter (ii) high availability/reliability. While most ISPs and MNOs have promised advantages of redundancy and resilience to guarantee high availability, there is still the specter of failure in today's networks. The problems of network failures in today's networks can be quickly but clearly ascertained. The underlying observation is that ISPs and MNOs are still exposed to rapid fluctuations and/or unpredicted breakdowns in traffic; it goes without saying that even the largest operators can be affected. But what if, these operators could now put in place designs and mechanisms to improve network survivability to avoid such occurrences? What if mobile network operators can come up with low-cost backhaul solutions together with ensuring the required availability and reliability in the networks? With this problem statement in-hand, the overarching theme of this dissertation is within the following scopes: (i) to provide low-cost backhaul solutions; the motivation here being able to build networks without over-provisioning and then to bring-in new resources (link capacity/bandwidth) on occasions of unexpected traffic surges as well as on network failure conditions for particularly ensuring premium services (ii) to provide uninterrupted communications even at times of network failure conditions, but without redundancy. Here a slightly greater emphasis is laid on tackling the 'last-mile' link failures. The scope of this dissertation is therefore to propose, design and model novel network architectures for improving effective network survivability and network capacity, at the same time by eliminating network-wide redundancy, adopted within the context of mobile backhaul networks. Motivated by this, we study the problem of how to share the available resources of a backhaul network among its competitors, with whom a Service Level Agreement (SLA) has been concluded. Thus, we present a systematic study of our proposed solutions focusing on a variety of empirical resource sharing heuristics and optimization frameworks. With this background, our work extends towards a novel fault restoration framework which can cost-effectively provide protection and restoration for the operators, enabling them with a parameterized objective function to choose desired paths based on traffic patterns of their end-customers. We then illustrate the survivability of backhaul networks with reduced amount of physical redundancy, by effectively managing geographically distributed backhaul network equipments which belong to different MNOs using 'logically-centralized' physically-distributed controllers, while meeting strict constraints on network availability and reliability