Network optimization for wireless microwave backhaul
Optimisation dans des réseaux backhaul sans fil
Résumé
Technological breakthroughs have transformed the telecommunications industry aiming at providing capacity and efficiency to support the increasing demand for wireless broadband services. With the advances in access technologies, the capacity bottleneck of cellular networks is gradually moving from the radio interface towards the backhaul -- the portion of the network infrastructure that provides interconnectivity between the access and core networks. The ability for microwave to be rapidly and cost-effectively deployed is being a crucial point for successfully tackling the backhaul bottleneck problem. However, backhaul solutions available with this technology have received little attention from the scientific community. Nevertheless, the growth of microwave backhaul networks and their increasing complexity give rise to many interesting optimization problems. In fact, unlike wired networks, the capacity of a microwave radio link is prone to variations, either due to external factors (e.g., weather) or by the action of the network operator. This fundamental difference raises a variety of new issues to be addressed appropriately. Therefore, more refined approaches for dealing with network optimization in wireless microwave backhaul need to be conceived. In this thesis, we investigate network optimization problems related to the design and configuration of wireless microwave backhaul. We are concerned with a general class of problems expressed in terms of minimum cost multicommodity flows with discontinuous step increasing cost functions on the links of the network. These problems are among the most important and challenging problems in network optimization. Generally, they are computationally very difficult and, in practice, can only be solved approximately. We introduce mathematical models for some of these problems and present solution approaches essentially based on general mixed integer programming, chance-constrained programming, relaxation techniques, cutting plane methods, as well as hybrid metaheuristics. This work was done in collaboration with the SME~3Roam, and partially developed within the scope of the joint project RAISOM (Réseaux de collecte IP sans fil optimisés), among INRIA Sophia Antipolis, SME 3Roam, and SME Avisto. This thesis was developed under joint PhD thesis supervision between the University of Nice-Sophia Antipolis and the Federal University of Ceará.
Les avancées technologiques poussent l'industrie des télécommunications à fournir la capacité et la qualité nécessaire pour satisfaire la demande croissante de services sans fil à haut débit. De plus, avec les progrès des technologies d'accès, le goulot d'étranglement des réseaux cellulaires se déplace progressivement de l'interface radio vers le backhaul -- la partie de l'infrastructure du réseau qui fournit l'interconnexion entre les réseaux d'accès et de coeur. Aussi, la possibilité de déployer rapidement des liens radio micro-ondes efficaces est essentielle pour apporter des solutions crédibles au problème de l'engorgement des réseaux backhaul. Toutefois, les solutions de backhaul disponibles avec cette technologie ont reçu peu d'attention de la communauté scientifique. Pourtant, la croissance des réseaux backhaul et l'augmentation de leur complexité posent de nombreux problèmes d'optimisation très intéressants. En effet, contrairement aux réseaux filaires, la capacité d'un lien radio micro-ondes est sujette à variation, soit due à des facteurs extérieurs (météo), soit par l'action de l'opérateur. Cette différence fondamentale soulève une variété de nouvelles questions qui doivent être abordées de façon appropriée. Il faut donc concevoir des méthodes adéquates pour l'optimisation des réseaux backhaul. Dans cette thèse, nous étudions les problèmes d'optimisation de réseaux liés à la conception et la configuration des liaisons terrestres sans fil à micro-ondes. Nous nous intéressons en particulier à la classe des problèmes de multiflot de coût minimum avec des fonctions de coût en escalier sur les liens du réseau. Ces problèmes sont parmi les problèmes d'optimisation combinatoire les plus importants et les plus difficiles dans l'optimisation des réseaux, et il n'est généralement possible de les résoudre que de façon approchée. Nous introduisons des modèles mathématiques pour certains de ces problèmes et présentons des approches de solution basées essentiellement sur la programmation entière mixte, la programmation sous contraintes probabilistes, des techniques de relaxation, des méthodes de coupe, ainsi que des méta-heuristiques hybrides. Ces travaux ont été effectués en collaboration avec la PME~3Roam, et partiellement dans le cadre du projet RAISOM (Réseaux de Collecte IP sans fil optimisés) entre le projet Mascotte et les PMEs 3Roam et Avisto. Cette thèse a été développée en co-tutelle entre l'Université de Nice-Sophia Antipolis et l'Université Federale du Ceará.
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