Multihoming in Heterogeneous Wireless Networks Ghina Dandachi
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Multihoming in heterogeneous wireless networks Ghina Dandachi To cite this version: Ghina Dandachi. Multihoming in heterogeneous wireless networks. Networking and Internet Archi- tecture [cs.NI]. Institut National des Télécommunications; Université libanaise, 2017. English. NNT : 2017TELE0014. tel-01712300 HAL Id: tel-01712300 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01712300 Submitted on 19 Feb 2018 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. A JOINT PHD THESIS Specialty: Telecommunications Ecole doctorale Informatique, Télécommunications et Electronique de Paris Ecole doctorale des Sciences et Technologie au Liban Presented by DANDACHI Ghina To obtain the degree of DOCTOR FROM TELECOM SUDPARIS Multihoming in Heterogeneous Wireless Networks Defended on July 21, 2017 Thesis Defense Committee: M. Mohamad ASSAAD, Professor, CentraleSupelec Referee M. Zaher DAWY, Professor, American University of Beirut Referee M. Nazim AGLOUMINE, Professor, Université d’Evry Val d’Essone Examiner M. Guy PUJOLLE, Professor, Université de Pierre et Marie Curie Examiner M.YOUMNI ZIADE, Assistant Professor, Beirut Arab University Examiner Ms. Nada CHENDEB, Associate Professor, Lebanese University Supervisor M. Salaheddine ELAYOUBI, Senior radio expert, Orange Labs Supervisor M. Ziad FAWAL, Professor, Lebanese University Thesis co-director M. Tijani CHAHED, Professor, SAMOVAR, Telecom SudParis Thesis director N° NNT : 2017TELE0014 THÈSE EN COTUTELLE Spécialité : Télécommunications Ecole doctorale Informatique, Télécommunications et Electronique de Paris Ecole doctorale des Sciences et Technologie au Liban Présentée par DANDACHI Ghina Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE TELECOM SUDPARIS Le Multihoming dans les Réseaux Sans Fil Hétérogènes Soutenue le 21 Juillet, 2017 Devant le jury composé de : M. Mohamad ASSAAD, Professeur, CentraleSupelec Rapporteur M. Zaher DAWY, Professeur, Université américaine de Beyrouth Rapporteur M. Nazim AGLOUMINE, Professeur, Université d’Evry Val d’Essone Examinateur M. Guy PUJOLLE, Professeur, Université de Pierre et Marie Curie Examinateur M.YOUMNI ZIADE, Maître de conférences, Université Arabe de Beyrouth Examinateur Mme Nada CHENDEB, Professeur associée, Université Libanaise Encadrante M. Salaheddine ELAYOUBI, Ingénieur R&D, Orange Labs Encadrant M. Ziad FAWAL, Professeur, Université Libanaise Co-directeur de Thèse M. Tijani CHAHED, Professeur, SAMOVAR, Telecom SudParis Directeur de Thèse N° NNT : <> Abstract Fifth generation mobile networks (5G) are being designed to introduce new services that require extreme broadband data rates and utlra-reliable la- tency. 5G will be a paradigm shift that includes heterogeneous networks with densification, virtualized radio access networks, mm-wave carrier fre- quencies, and very high device densities. However, unlike the previous gen- erations, it will be a holistic network, tying any new 5G air interface and spectrum with the currently existing LTE and WiFi. In this context, we focus on new resource allocation strategies that are able to take advantage of multihoming in dual access settings. We model such algorithms at the flow level and analyze their performance in terms of flow throughput, system stability and fairness between different classes of users. We first focus on multihoming in LTE/WiFi heterogeneous networks. We consider network centric allocations where a central scheduler performs local and global proportional fairness (PF) allocations for different classes of users, single-homed and multihomed users. By comparison with a ref- erence model without multihoming, we show that both strategies improve system performance and stability, at the expense of more complexity for the global PF. We also investigate user centric allocation strategies where mul- tihomed users decide the split of a file using either peak rate maximization or network assisted strategy. We show that the latter strategy maximizes the average throughput in the whole network. We also show that network centric strategies achieve higher data rates than the user centric ones. Then, we focus on Virtual Radio Access Networks (V-RAN) and par- ticularly on multi-resource allocation therein. We investigate the feasibility of virtualization without decreasing neither users performance, nor system's stability. We consider a 5G heterogeneous network composed of LTE and mm-wave cells in order to study how high frequency networks can increase system's capacity. We show that network virtualization is feasible without performance loss when using the dominant resource fairness strategy (DRF). We propose a two-phase allocation (TPA) strategy which achieves a higher fairness index than DRF and a higher system stability than PF. We also show significant gains brought by mm-wave instead of WiFi. Eventually, we consider energy efficiency and compare DRF and TPA 1 strategies with a Dinklebach based energy efficient strategy. Our results show that the energy efficient strategy slightly outperforms DRF and TPA at low to medium load in terms of higher average throughput with compara- ble power consumption, while it outperforms them at high load in terms of power consumption. In this case of high load, DRF outperforms TPA and the energy efficient strategy in terms of average throughput. As for Jain's fairness index, TPA achieves the highest one. Keywords- 5G networks, Heterogeneous Networks, Virtual Radio Ac- cess Networks, Millimeter wave, LTE, Multihoming, Flow-level modeling, Resource allocation, Multi-resource allocation, Power consumption. 2 R´esum´e Les r´eseauxmobiles de la cinqui`emeg´en´eration (5G) sont con¸cuspour intro- duire de nouveaux services n´ecessitant des d´ebitsde donn´eesextr^emement hauts et une faible latence. 5G sera un changement de paradigme qui comprend des r´eseauxh´et´erog`enes densifi´es,des r´eseauxd'acc`esradio vir- tualis´es,des fr´equencesporteuses `aondes millim´etr´ees et des densit´esde p´eriph´eriquestr`es´elev´ees. Cependant, contrairement aux g´en´erationspr´ec´edentes, 5G sera un r´eseauholistique, int´egrant n'importe quelle nouvelle technologie radio avec les technologies LTE et WiFi existant. Dans ce contexte, on se concentre sur de nouvelles strat´egiesd'allocation de ressources capables de b´en´eficierdu multihoming dans le cas d'acc`es double au r´eseau.On mod´eliseces algorithmes au niveau du flux et analyse leurs performances en termes de d´ebit,de stabilit´edu syst`emeet d'´equit´e entre diff´erentes cat´egoriesd'utilisateurs. On se concentre tout d'abord sur le multihoming dans les r´eseauxh´et´erog`enes LTE/WiFi. On consid`ereles allocations centr´eessur le r´eseauo`uun plan- ificateur central effectue des allocations d'´equit´eproportionnelle (PF) lo- cale et globale pour diff´erentes classes d'utilisateurs, utilisateurs individuels (single-homed) et multi-domicili´es(multihomed). Par rapport `aun mod`ele de r´ef´erencesans multihoming, on montre que les deux strat´egiesam´eliorent la performance et la stabilit´edu syst`eme,au d´etriment d'une plus grande complexit´epour la strat´egiePF globale. On ´etudie´egalement les strat´egies d'allocation centr´eessur l'utilisateur, dans lesquelles les utilisateurs multi- homed d´ecident la partition de la demande d'un fichier en utilisant soit la maximisation du d´ebitcr^ete,soit la strat´egie assist´eepar r´eseau.On mon- tre que cette derni`erestrat´egiemaximise le d´ebitmoyen dans l'ensemble du r´eseau. On montre ´egalement que les strat´egiescentr´eessur le r´eseau permettent d'obtenir des d´ebitsde donn´eesplus ´elev´esque ceux centr´essur l'utilisateur. Ensuite, on se concentre sur les r´eseauxd'acc`esradio virtuels (V-RAN) et en particulier sur l'allocation de multi-ressources. On ´etudiela fais- abilit´ede la virtualisation sans diminuer ni la performance des utilisateurs, ni la stabilit´edu syst`eme. On consid`ereun r´eseauh´et´erog`ene5G com- pos´ede cellules LTE et mm-wave afin d'´etudiercomment les r´eseauxhaute fr´equencepeuvent augmenter la capacit´edu syst`eme. On montre que la 3 virtualisation du r´eseau est r´ealisablesans perte de performance lors de l'utilisation de la strat´egie\dominant resource fairness" (DRF). On pro- pose une strat´egied'allocation en deux phases (TPA) qui montre un indice d'´equit´eplus ´elev´eque DRF et une stabilit´edu syst`emeplus ´elev´eeque PF. On montre ´egalement des gains importants apport´espar l'adoption des fr´equencesmm-wave au lieu de WiFi. Finalement, on consid`erel’efficacit´e´energ´etiqueet compare les strat´egies DRF et TPA avec une strat´egie´econerg´etique bas´eesur l'algorithme de Dinklebach. Les r´esultats montrent que la strat´egie´econerg´etiqued´epasse l´eg`erement DRF et TPA `acharge faible ou moyenne en termes de d´ebit moyen plus ´elev´eavec une consommation d'´energiecomparable, alors qu'elle les surpasse `aune charge ´elev´eeen termes de consommation d'´energiemoins ´elev´ee. Dans ce cas de charge ´elev´ee,DRF surpasse TPA et la strat´egie ´econerg´etiqueen termes de d´ebitmoyen. En ce qui concerne l'indice d'´equit´e de Jain, TPA r´ealisel'indice d'´equit´ele plus ´elev´eparmi d'autres strat´egies. Mots cl´es- R´eseaux5G, R´eseaux h´et´erog`enes,R´eseauxd'acc`esradio virtuel, Ondes millim´etriques,LTE, Multihoming, Mod´elisationdu flux, Al- location de ressources, Allocation multi-ressources, Consommation d'´energie. 4 To my parents, my brother and sisters Thank you for all of your support along the way To Ahmad 5 Acknowledgements I owe my gratitude to all the people who have made this thesis possible with their help, support and contributions. First and foremost, I would like to thank my director, Prof. Tijani CHA- HED, who has given me an invaluable opportunity to do research and work on challenging and extremely interesting subjects over the past three years, my supervisor, Prof.