Evaluation and optimization of the quality of service perceived by mobile users for new services in cellular networks - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Evaluation and optimization of the quality of service perceived by mobile users for new services in cellular networks

Evaluation et optimisation de la qualité de service perçue par les utilisateurs mobiles pour les nouveaux services dans les réseaux cellulaires

Miodrag Jovanovic
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 973579

Résumé

The goal of this thesis is to develop tools and methods for the evaluation of the QoS (Quality of Service) perceived by users, as a function of the traffic demand, in modern wireless cellular networks. This complex problem, directly related to network dimensioning, involves modeling dynamic processes at several time-scales, which due to their randomness are amenable to probabilistic formalization. Firstly, on the ground of information theory, we capture the performance of a single link between a base station and a user in the context of a cellular network with orthogonal channels and MIMO technology. We prove and use some lower bounds of the information-theoretic ergodic capacity of such a link, which account also for the fast channel variability caused by multi-path propagation. These bounds give robust basis for further user QoS evaluation. Next, one considers several (possibly mobile) users, arriving in the network and requesting some service from it. We consider variable (elastic) bit-rate services, in which transmissions of some amounts of data are realized in a best-effort manner, or constant bit-rate services, in which a certain transmission rate needs to be maintained during requested times. On the ground of queuing theory, one captures this traffic demand and service process using appropriate (multi-class) processor sharing (PS) or loss models. In this thesis, we adapt existing PS models and develop a new loss model for wireless streaming traffic, in which the aforementioned information-theoretic capacities of single links describe the instantaneous user service rates. The multi-class models are used to capture the spatial heterogeneity of user channels, which depends on the user geographic locations and propagation shadowing phenomenon. Finally, on top of the queueing-theoretic processes, one needs to consider a multi-cellular network, whose base stations are not necessarily regularly placed, and whose geometry is further perturbed by the shadowing phenomenon. We address this randomness aspect by using some models from stochastic geometry, notably Poisson point processes and Palm formalism applied to the typical cell of the network. Applying the above three-fold approach, supposed to represent all crucial mechanisms and engineering parameters of cellular networks (such as LTE), we establish some macroscopic relations between the traffic demand and the user QoS metrics for some elastic and constant bit-rate services. These relations are mostly obtained in a semi-analytic way, i.e., they only involve static simulations of a Poisson point process (modeling the locations of base stations) in order to evaluate its characteristics which are not amenable to analytic expressions. More precisely, regarding the data traffic (the elastic bit-rate service), we capture the inter-cell interference, making the PS queue models of individual cells dependent, via some system of cell-load equations. These equations allow one to determine the mean user throughput, the mean number of users and the mean cell load in a large network, as a function of the traffic demand. The spatial distribution of these QoS metrics in the network is also studied. We validate our approach by comparing the obtained results with those measured from live-network traces. We observe a remarkably good agreement between the model predictions and the statistical data collected in several deployment scenarios. Regarding constant bit-rate services, we propose a new stochastic model to evaluate the frequency and the number of interruptions during real-time streaming calls in function of user radio conditions. Despite some fundamental similarities with the classical Erlang loss model, a more adequate model was required for in this case, where the denial of service is not definitive for a given call: it takes the form of, hopefully short, interruptions or outage periods. Our model allows one to take into account realistic implementations of the considered streaming service. We use it to study the quality of service metrics in function of user radio conditions in LTE networks. All established results contribute to the development of network dimensioning methods and are currently used in Orange internal tools for network capacity calculations.
L'objectif de cette thèse est de développer des outils et des méthodes pour l'évaluation de la qualité de service (Quality of Service - QoS) perçue par les utilisateurs, en fonction de la demande de trafic, dans les réseaux cellulaire sans fil moderne. Ce problème complexe, directement liée au dimensionnement du réseau, implique la modélisation des processus dynamiques à plusieurs échelles de temps, qui en raison de leurs nature aléatoire se prêtent à la formalisation probabiliste. Tout d'abord, sur la base de la théorie de l'information, nous capturons les performances d'un seul lien entre une station de base et un utilisateur dans un réseau cellulaire avec des canaux orthogonaux et la technologie MIMO. Nous prouvons et utilisons certaines bornes inférieures de la capacité ergodique en vue de la théorie de l'information d'un tel lien, qui prend aussi en compte la variabilité du canal rapide causée par la propagation des trajets multiples. Ces bornes donnent une base solide pour l'évaluation plus profonde de la qualité de service perçue par les utilisateurs. Ensuite, on considère plusieurs utilisateurs (éventuellement mobiles), arrivant dans le réseau et demandant un service. Nous considérons des services (élastiques) à débit variable dans lesquels les transmissions de certaines quantités de données sont réalisées d'une manière "best-effort", ou services à débit constant, dans lesquels une certaine vitesse de transmission doit être maintenue pendant les périodes demandées. Sur la base de la théorie des files d'attente, on capture cette demande du trafic et processus de service à l'aide des modèles appropriés (multi-classes) de partage du processeur (processor-sharing PS) ou modèle de perte. Dans cette thèse, nous adaptons les modèles PS existants et développons un nouveau modèle de perte pour le trafic streaming de transmission sans fil, où les bornes théoriques (au regard de la théorie de l'information) mentionnées ci-dessus de la capacité des liens simples décrivent les taux de service instantanés des utilisateurs. Les modèles multi-classes sont utilisés pour capturer l'hétérogénéité spatiale des canaux utilisateur. Ceux-ci dépendent de l'emplacement géographique de l'utilisateur et du phénomène de "shadowing" de propagation. Enfin, au-dessus des processus de file d'attente théoriques, il faut tenir compte d'un réseau multicellulaire, dont les stations de base ne sont pas nécessairement régulièrement placées, et dont la géométrie est en outre perturbée par la phénomène de shadowing. Nous abordons cet aspect aléatoire en utilisant des modèles de géométrie stochastique, notamment processus de Poisson ponctuels et le formalisme de Palm appliqué à la cellule typique du réseau. En appliquant l'approche triple mentionnée ci-dessus, censée à représenter tous les mécanismes cruciaux et les paramètres de l'ingénierie des réseaux cellulaires (tels que LTE - Long Term Evolution), nous établissons des relations macroscopiques entre la demande de trafic et les métriques de la qualité de service perçue par les utilisateurs pour certains services à débit binaire élastiques et constants. Ces relations sont obtenues principalement d'une manière semi-analytique, c'est-à-dire qu'elles concernent des simulations statiques d'un processus ponctuel de Poisson (modélisation des emplacements des stations de base). Ceci afin d'évaluer ses caractéristiques qui ne se prêtent pas aux expressions analytiques. Plus précisément, en ce qui concerne le trafic de données (le service de débit binaire élastique), nous capturons l'interférence inter-cellule, rendant les modèles des files d'attente PS de cellules individuelles dépendantes, via un système d'équations de charge des cellules. Ces équations permettent de déterminer le débit moyen par utilisateur, le nombre moyen d'utilisateurs et la charge moyenne de la cellule dans un grand réseau, en fonction de la demande du trafic. La distribution spatiale de ces métriques de QoS dans le réseau est également étudiée. Nous validons notre approche en comparant les résultats obtenus avec ceux mesurés à partir de traces du réseau réel. Nous observons une concordance remarquable entre les prédictions du modèle et les données statistiques recueillies dans plusieurs scénarios de déploiement. En ce qui concerne les services de débit binaire constants, nous proposons un nouveau modèle stochastique pour évaluer la fréquence et le nombre d'interruptions lors de streaming en temps réel en fonction des conditions radio utilisateur. Nous l'utilisons pour étudier les métriques de la qualité de service en fonction des conditions radio utilisateur dans les réseaux LTE. Tous les résultats établis ici contribuent au développement de méthodes de dimensionnement de réseau et sont actuellement utilisés dans les outils internes d'Orange pour les calculs de capacité du réseau.
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Dates et versions

tel-01238450 , version 1 (04-12-2015)

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  • HAL Id : tel-01238450 , version 1

Citer

Miodrag Jovanovic. Evaluation and optimization of the quality of service perceived by mobile users for new services in cellular networks. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Télécom ParisTech, 2015. English. ⟨NNT : 2015ENST0052⟩. ⟨tel-01238450⟩
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