Multicellular models for 4G mobile networks
Modèles multicellulaires pour les réseaux mobiles 4G
Résumé
In order to meet the ever-increasing need for bandwidth and to offer ever more services, wherever users are, cellular networks are rapidly evolving towards technologies characterized by an increasingly sophisticated radio interface. For example, while the deployment of 4G networks was just beginning, operators already planned the first updates to LTE-A solutions and 5G technologies are currently receiving active attention. These rapid changes are motivated by the explosion of mobile traffic, as shown by numerous studies and observations on current networks. Users equipped with smartphones, tablets, and other mobile devices mainly generate this traffic. However most of models for cellular networks in literature do not take into account mobility of users. Authors who have tried to take into account users' mobility, propose models based on hypotheses like users moving with infinite speed. In this thesis we have developed analytical models for 4G and 5G cellular networks taking into account user mobility in a realistic way. The proposed models were designed to be simple and easy to solve, allowing users and networks performance to be evaluated almost instantaneously. Our first analysis and results where on the impact of mobility in dense LTE-A networks with small cells. We developed two models to access static users performance in small cell with mixed users (static and mobile users). The first model is based on Markov chains and the second one on Processor-Sharing queue. Our second analysis and results where on LTE/LTE-A macrocells with two coding zones and visited by mobile users. We proposed a model based on queuing theory to study the performance of mobile users in a LTE/LTE-A macrocell with different radio conditions over its coverage area. Then, we have then extended these models to the case of homogeneous cellular networks where cells are statistically identical. These models allowed us to show the positive impact of user mobility on performance in a cell or in a network. Moreover, we showed that this performance gain was not a monotonous function of user mobility, which is an important result showing the impact of hard handover implemented in LTE and LTE-A networks on performance. Finally, we turned our attention to heterogeneous networks with different type of cells and visited by users with different profiles (speed, amount of data to be transferred).
Afin de satisfaire le besoin toujours croissant en débit et offrir toujours plus de services, ce où que les utilisateurs se trouvent, les réseaux cellulaires évoluent rapidement vers des technologies caractérisées par une interface radio de plus en plus sophistiquée. Par exemple, alors que le déploiement des réseaux 4G ne faisaient que commencer, les premières mises à jour vers les solutions LTE-A étaient déjà planifiées par les opérateurs, et actuellement, les technologies 5G font l'objet de recherches actives à travers le monde. Ces changements rapides sont motivés par l'explosion du trafic mobile, comme le montrent des nombreuses études et observations sur les réseaux actuels. Ce trafic est principalement généré par des utilisateurs équipés de smartphones, tablettes, et autres équipements mobiles. Cependant, les réseaux actuels ont du mal à s'adapter à cette proportion toujours grandissante d'utilisateurs mobiles et à leur fournir un service adapté. Dans ce contexte, un des enjeux importants pour les opérateurs et équipementiers est de disposer d'outils efficaces pour évaluer les performances de leurs réseaux et mieux les dimensionner. Cette thèse porte donc sur le développement de modèles analytiques, à la fois précis et simples d'utilisation, permettant de répondre aux problèmes posés par l'évaluation de performances dans les réseaux cellulaires de nouvelle génération. Les modèles s'appuient sur la théorie des files d'attente et des processus stochastiques et permettent d'évaluer les performances d'un réseau et de ses utilisateurs en tenant compte de leur mobilité. Dans un premier temps, sont présentés tour à tour des modèles dédiés aux différents types de cellules rencontrées dans les réseaux cellulaires et aux utilisateurs qui visitent ces cellules. Dans un second temps, des modèles dédiés à un réseau cellulaire dans son ensemble sont présentés. Ces modèles réseaux combinent les précédents modèles dédiés aux cellules et un modèle de routage reproduisant le routage des utilisateurs mobiles entre les différentes cellules qui constituent le réseau. Tous les modèles proposés ont été pensés afin d'obtenir des expressions simples de l'ensemble des paramètres de performances du système. Cette simplicité associée à la rapidité de résolution rend possible les études de performance des systèmes les plus complexes, comme en témoignent les nombreux exemples inclus dans cette thèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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