Cloud-Radio Access Networks : Conception, optimisation et algorithmes

Cloud Radio Access Network (C-RAN) has been proposed as a promising architecture to meet the exponential growth in data traffic demands and to overcome the challenges of next generation mobile networks (5G). The main concept of C-RAN is to decouple the BaseBand Units (BBU) and the Remote Radio Heads (RRH), and place the BBUs in common edge data centers (BBU pools) for centralized processing. This gives a number of benefits in terms of cost savings, network capacity improvement and resource utilization gains. However, network operators need to investigate scalable and cost-efficient algorithms for resource allocation problems to enable and facilitate the deployment of C-RAN architecture. Most of these problems are very complex and thus very hard to solve. Hence, we use combinatorial optimization which provides powerful tools to efficiently address these problems.One of the key issues in the deployment of C-RAN is finding the optimal assignment of RRHs (or antennas) to edge data centers (BBUs) when jointly optimizing the fronthaul latency and resource consumption. We model this problem by a mathematical formulation based on an Integer Linear Programming (ILP) approach to provide the optimal strategies for the RRH-BBU assignment problem and we propose also low-complexity heuristic algorithms to rapidly reach good solutions for large problem instances. The optimal RRH-BBU assignment reduces the expected latency and offers resource utilization gains. Such gains can only be achieved when reducing the inter-cell interference caused by the dense deployment of cell sites. We propose an exact mathematical formulation based on Branch-and-Cut methods that enables to consolidate and re-optimize the antennas radii in order to jointly minimize inter-cell interference and guarantee a full network coverage in C-RAN. In addition to the increase of inter-cell interference, the high density of cells in C-RAN increases the amount of baseband processing as well as the amount of data traffic demands between antennas and centralized data centers when strong latency requirements on fronthaul network should be met. Therefore, we discuss in the third part of this thesis how to determine the optimal placement of BBU functions when considering 3GPP split option to find optimal tradeoffs between benefits of centralization in C-RAN and transport requirements. We propose exact and heuristic algorithms based on combinatorial optimization techniques to rapidly provide optimal or near-optimal solutions even for large network sizes.Cloud-Radio Access Network (C-RAN) est une architecture prometteuse pour faire face à l’augmentation exponentielle des demandes de trafic de données et surmonter les défis des réseaux de prochaine génération (5G). Le principe de base de CRAN consiste à diviser la station de base traditionnelle en deux entités : les unités de bande de base (BaseBand Unit, BBU) et les têtes radio distantes (Remote Radio Head, RRH) et à mettre en commun les BBUs de plusieurs stations dans des centres de données centralisés (pools de BBU). Ceci permet la réduction des coûts d’exploitation, l’amélioration de la capacité du réseau ainsi que des gains en termes d’utilisation des ressources. Pour atteindre ces objectifs, les opérateurs réseaux ont besoin d’investiguer de nouveaux algorithmes pour les problèmes d’allocation de ressources permettant ainsi de faciliter le déploiement de l’architecture C-RAN. La plupart de ces problèmes sont très complexes et donc très difficiles à résoudre. Par conséquent, nous utilisons l’optimisation combinatoire qui propose des outils puissants pour adresser ce type des problèmes.Un des principaux enjeux pour permettre le déploiement du C-RAN est de déterminer une affectation optimale des RRHs (antennes) aux centres de données centralisés (BBUs) en optimisant conjointement la latence sur le réseau de transmission fronthaul et la consommation des ressources. Nous modélisons ce problème à l’aide d’une formulation mathématique basée sur une approche de programmation linéaire en nombres entiers permettant de déterminer les stratégies optimales pour le problème d’affectation des ressources entre RRH-BBU et nous proposons également des heuristiques afin de pallier la difficulté au sens de la complexité algorithmique quand des instances larges du problème sont traitées, permettant ainsi le passage à l’échelle. Une affectation optimale des antennes aux BBUs réduit la latence de communication attendue et offre des gains en termes d’utilisation des ressources. Néanmoins, ces gains dépendent fortement de l’augmentation des niveaux d’interférence inter-cellulaire causés par la densité élevée des antennes déployées dans les réseaux C-RANs. Ainsi, nous proposons une formulation mathématique exacte basée sur les méthodes Branch-and-Cut qui consiste à consolider et ré-optimiser les rayons de couverture des antennes afin de minimiser les interférences inter-cellulaires et de garantir une couverture maximale du réseau conjointement. En plus de l’augmentation des niveaux d’interférence, la densité élevée des cellules dans le réseau CRAN augmente le nombre des fonctions BBUs ainsi que le trafic de données entre les antennes et les centres de données centralisés avec de fortes exigences en termes de latence sur le réseau fronthaul. Par conséquent, nous discutons dans la troisième partie de cette thèse comment placer d’une manière optimale les fonctions BBUs en considérant la solution split du 3GPP afin de trouver le meilleur compromis entre les avantages de la centralisation dans C-RAN et les forts besoins en latence et bande passante sur le réseau fronthaul. Nous proposons des algorithmes (exacts et heuristiques) issus de l’optimisation combinatoire afin de trouver rapidement des solutions optimales ou proches de l’optimum, même pour des instances larges du problèmes