Routing and packet scheduling in LoRaWANs-EPC integration network and in O-RAN

Zhang, Chengcheng (2021). Routing and packet scheduling in LoRaWANs-EPC integration network and in O-RAN. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Routing and packet scheduling are substantial in mobile networks, in order to provide QoS for a variety of applications ranging from low-power IoT to mobile broadband and ultra-reliable low-latency services. In this thesis, we investigate the routing and packet scheduling problems in LoRaWAN-EPC integration network and O-RAN contexts.

Recently, Mobile Network Operators are considering the integration of the LoRaWAN in their EPC to expand their business, and to improve the interoperability and multi vendor integration in their networks. Unfortunately, the current integration of LoRa and the mobile access according to the 3GPP architectures does not allow the co-existence of multiple LoRa gateways, because the routing and scheduling mechanisms among them are not defined. Therefore, the LoRa gateways cannot operate together, limiting the overall performance of the integration network. In this thesis, we investigate the problem of integrating multiple LoRaWANs into the EPC, which allows several LoRa gateways and sensors in various regions of LoRa signal coverage areas to access multiple network servers and application servers optimally. We propose methods to select dedicated routes in the EPC resource, and formulate the problem of optimal routing and packet scheduling to forward LoRa packets over the routes. The simulation results show our proposed solution can reduce the by an average value of 200ms.

Next, we apply this problem for O-RAN which is an innovative RAN architecture designed to revolutionize 5G and beyond mobile networks. O-RAN virtualized the fronthaul network functions into O-CU, O-DU and O-RU, which are the extension to the CU, DU, RU defined in 3GPP Release 16. Unfortunately, no standard data communication mechanism has been defined for the communication between these elements. Therefore, O-DUs may not work efficiently in the O-DU pool, limiting the RAN performance. This thesis investigates an optimized solution for routing and packet scheduling, allowing multiple O-DU pools to communicate with their O-RUs optimally. We propose an O DU pool architecture and formulate the problem of optimal routing and packet scheduling to forward OFDM symbols over the optimal routes and map UDP packet sizes to fragment OFDM symbols. Numerical results show the response time reduces. Moreover, we design a dynamic programming algorithm to find out the optimal global solution and a greedy algorithm to approximate the solution.

Titre traduit

Routage et ordonnancement de paquets dans les réseaux d’intégration LoRaWANs-EPC et d’O-RAN

Résumé traduit

Le routage et l’ordonnancement de paquets sont essentiels dans le réseau mobiles, afin de fournir une qualité de service (QdS) pour une multitude d’applications telles que l’Internet des objets de faible puissance, les services cellulaires à haut débit, et les services ultra-fiables et faible latence. Dans ce mémoire, nous étudions les problèmes de routage et d’ordonnance de paquets dans les réseaux d’intégration LoRaWAN-EPC et dans l’O-RAN.

Récemment, les opérateurs de réseaux mobiles ont envisagé une intégration de LoRaWAN dans leur EPC pour améliorer l’interopérabilité et permettre la co-habitation de plusieurs fournisseurs d’applications. Malheureusement, l’architecture actuelle de 3GPP ne permet pas la coexistence de plusieurs passerelles LoRa dans un réseau d’accès mobile, car aucun mécanisme de routage et d’ordonnancement de paquets n’est défini. Par conséquent, la performance du réseau d’intégration est limitée. Dans ce mémoire, nous proposons une solution, permettant à plusieurs passerelles et capteurs de LoRa dans différentes zones d’accéder simultanément aux serveurs d’applications. Nous proposons une méthode pour sélectionner des routes optimales à travers l’EPC, et formulons le problème du routage et d’ordonnancement optimal de paquets pour transmettre les paquets LoRa sur ces routes. Les résultats expérimentaux montrent que la solution proposée peut réduire le délai global de 200 ms en moyenne.

En suite, nous étudions l’application de ce problème dans l’architecture O-RAN qui est une architecture RAN innovante conçue pour révolutionner la 5G et au-delà. O-RAN virtualise
les fonctions du réseau de fronthaul en O-CU, O-DU et O-RU, qui sont des extensions des CU, DU, RU définies dans 3GPP. Malheureusement, la communication entre ces éléments n’a jamais été normalisée. Les O-DUs ne peuvent pas fonctionner efficacement dans leur ensemble, ce qui limite la performance d’O-RAN. Ce mémoire propose une solution optimisée permettant à plusieurs O-DUs de communiquer d’une manière optimale avec leurs O-RUs. Nous proposons une architecture pour grouper les O-DUs et formulons le problème de sélection des routes optimales et de mapper des paquets UDP en symboles d’OFDM. Les résultats expérimentaux montrent que le temps de réponse est réduit. De plus, nous concevons un algorithme de programmation dynamique pour chercher la solution optimale globalement, et aussi un algorithme glouton pour approximer la solution optimale.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in telecommunications network engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 51-52)
Mots-clés libres:	LoRaWANs, integration de 4G/LTE, routage et ordonnancement, O-RAN, 5G
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nguyen, Kim Khoa
Codirecteur:	Codirecteur Cheriet, Mohamed
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	05 oct. 2021 17:12
Dernière modification:	05 oct. 2021 17:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2730

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