QoS-aware resource provisioning in virtualized wireless networks

Wireless virtualization is emerging as a promising paradigm to tackle the issues of spectrum-crisis and network ossification via enabling common shared substrate of wireless resources among service providers, commonly referred as slices. Due to random nature of wireless channels and limited resources, virtualized wireless network (VWN) requires an efficient resource provisioning policy to operate. The objective of this thesis is to study and propose quality-of-service-aware (QoS-aware) resource provisioning policies applicable to VWNs.The first part of the thesis focuses on the design of resource provisioning policies to satisfy instantaneous requirements (e.g., minimum reserved rates and resources) of slices and minimize the VWN outage due to infeasibility. At first, an optimal algorithm for resource provisioning is developed to simultaneously satisfy the rate and resource (power and sub-carriers) based requirements of two groups of slices. Afterwards, to deal with the issue of infeasibility in VWNs due to limited wireless resources, an admission control policy is proposed. In this context, an optimal admission control algorithm is developed to dynamically adjust the requirements of slices according to channel state information (CSI) and priorities of slices. Finally, to further improve the feasibility region, a joint power, sub-carrier and antenna allocation algorithm is developed for VWN with massive multiple input multiple output (MIMO) setup, where a base station (BS), equipped with large number of antennas, serves users belonging to different slices.The second part of the thesis focuses on more realistic design of VWNs. Specifically, the issues of random, bursty traffic arrival in users' queue, energy-efficiency and uncertain CSI at the BS, often experienced in practice, are addressed through resource provisioning policies. At first, to improve end-user service experience, cross-layer resource provisioning policies are presented. In this context, a dynamic resource provisioning policy, adaptable to both CSI and queue state information (QSI) of VWNs, is proposed to maintain the stable queue state of VWN. Afterwards, to minimize energy consumption, a resource provisioning policy is proposed to satisfy the maximum average packet transmission delay in VWNs to offer reliable end-users' experience. Finally, the issue of uncertain CSI at the BS due to estimation errors is addressed through an energy-efficient robust resource provisioning policy. The total energy consumption of VWN is easily controllable via the cost factors of slices in the proposed policy. Simulations are performed to deeply analyze the effects of system parameters on VWN's performance.La virtualisation des réseaux sans fil est considérée comme un modèle prometteur pour régler la crise spectrale et l'ossification des réseaux. Notamment, celle-ci se fait en partageant, entre les fournisseurs de service, des ressources sans fil communes, généralement référé en tant que tranches. De plus, à cause de la nature aléatoire des canaux radio et des ressources limitées, un réseau sans fil virtualisé (VWN) demande une provision efficace des ressources pour fonctionner. L'objective de cette thèse est donc d'étudier et de proposer un algorithme de provision de ressources en tenant compte de la qualité de service (Qos-aware) applicable aux VWNs. La première partie de cette thèse se concentre sur la conception des politiques de provisionnement des ressources pour satisfaire aux exigences instantanées (ex., débit et ressource bases réservé) des tranches et minimiser l'interruption de service des VWN dû à l'infaisabilité. D'abord, un algorithme optimal de provisionnement de ressource est développé pour satisfaire simultanément au débit et aux ressources (puissance et sous porteuses) requis par deux groupes de tranches. Ensuite, pour faire face à la question de l'infaisabilité des VWNs causées par les ressources sans fil limitées, une politique de contrôle d'admission est proposée. Dans ce contexte, un algorithme de contrôle d'admission optimal est développé pour ajuster dynamiquement les exigences des tranches, selon les informations d'état de canal (CSI) et les priorités des tranches. Enfin, pour améliorer encore la région de faisabilité, un algorithme d'allocation conjointe de puissances, de sous porteuses et d'antennes est développé pour les VWNs avec une configuration de multiples antennes à grande échelle, où la station de base (BS), équipée avec un large nombre d'antennes, sert des utilisateurs appartenant à différentes tranches.La deuxième partie de cette thèse propose une conception réaliste des VWNs. Plus précisément, les questions de l'arrivée aléatoire de trafic en rafales dans la file d'attente, de l'efficacité énergétique des utilisateurs, de l'incertitude de la CSI à la BS, souvent éprouvées en pratique, sont abordées à travers des politiques de provisionnement des ressources. Premièrement, pour améliorer l'expérience de l'utilisateur final, les politiques de provisionnement des ressources inter-couches sont présentés. Dans ce contexte, une politique de provisionnement dynamique des ressources, adaptable à la fois aux informations d'état de canal (CSI) et de file d'attente (QSI) des VWNs, est proposée pour maintenir la stabilité des files d'attente du VWNs. Ensuite, pour minimiser la consommation d'énergie, une politique de provisionnement des ressources est proposée pour satisfaire au maximum des retards moyens de transmission de paquets, afin d'offrir une expérience fiable aux utilisateurs finaux des VWNs. Enfin, la question de la CSI incertaine au BS en raison d'erreurs d'estimation est abordée à travers une politique de provisionnement des ressources qui est à la fois robuste et efficace énergétiquement. La consommation totale d'énergie du VWN est facilement contrôlable via les facteurs de coût de tranches dans la politique proposée. Des simulations sont effectuées pour analyser en profondeur les effets des paramètres du système sur la performance des VWNs