Modélisation et optimisation de la conception des réseaux 5G

One goal of 5G networks is to integrate into a single physical network a variety of services, each with specific requirements, so that each service can use a logical network tailored to its requirements. The concept of "network slicing" is widely studied for 5G and is considered as the key mechanism for coexisting different services in the same physical infrastructure. A network slice instance can be defined as a set of network functions and resources to execute them and constituting a logical network with the characteristics required by the requested service. The network slicing allows an operator to create logical networks adapted to provide optimized solutions to the different market segments (vertical) according to their requirements (SLA) (performance, isolation, ...). A major challenge is to be able to satisfy these requirements within an end-to-end slice, from the user's equipment to the core network, via the access network, the mobile core and the network of transport. In order to design and manage such networks, several locks must be lifted. In particular, addressing the end-to-end requires to consider heterogeneous resources and networks of very large sizes. In addition, there are several temporal dimensions that need to be addressed together: long-term allocation and short-term allocation, slices, services, and granularity (traffic routing vs. slice resource allocation) . In this context, several challenges need to be addressed: -design the "slices" network according to the requirements of the services, -allocate physical resources to "slices" by respecting isolation properties and possible priorities between slices -determine orchestration rules for each slice to ensure that each traffic flow respects its SLAs. The overall goal of the thesis is to study the problem of slice management and end-to-end 5G networks and to propose mathematical models and innovative algorithms to solve it. For this, it is expected a implementation of a global approach integrating the three challenges stated above into a single problem that will need to be modeled, studied and solved, using the tools of linear programming (decomposition techniques ...) and respecting the technological constraints being defined by 5G standardization organizations.Chaque seconde, une grande quantité de données numériques est transportéeà travers les réseaux cellulaires du monde entier, et les attentes sont à une croissanceconsidérablement accélérée avec des demandes de plus en plus importantes. En quelquesannées, ces réseaux pourraient atteindre leurs capacités maximales en termes de transmissionde données. Pour faire face ces défis, Network Slicing a été présenté comme une nouvelleinfrastructure virtualisée pour le système de réseau mobile de nouvelle génération. Cettetechnologie couvre désormais non seulement le niveau des applications, mais également lavirtualisation des couches physiques et de commutation, avec differentes technologies d’accèsradio. Ainsi, chaque fournisseur de services doit pouvoir déployer ses services sur des réseauxlogiques, appel´es Network Slices, spécifiquement adaptés `a ses exigences techniques. Le modede communication Device-to-Device est une autre approche présentée comme une alternativeprometteuse `a la communication traditionnelle dans les réseaux cellulaires. Cette technologiepermet de réutiliser les ressources radio et de diminuer la latence de bout en bout descommunications locales. Par conséquent, l’optimisation des ressources physiques dans lesréseaux cellulaires devient cruciale pour mieux dimensionner et déployer les réseaux virtuels.L’objectif global de ce travail est donc de définir et d’étudier le concept de Device-to-DeviceCommunication et Network Slice Design dans les systèmes 5G, en proposant des modèles mathématiques et des algorithmes innovants pour résoudre les problèmes d’optimisation sous-jacents