[Soutenance de thèse] Ali AL KHANSA : "Communications coopératives pour réseaux multi sources multi-relais", LIA, 17/01/2023

Discipline

Wireless communication

Laboratoire

Laboratoire Informatique d'Avignon

Encadrement

Coencadrants:

• VISOZ Raphael
• LASAULCE Samson

Composition du jury de soutenance

Reporteurs

• LE RUYET Didier  
• CANCES Jean-Pierre

Examinateurs

• CHAHED Tijani
• BELMEGA Veronica
• Résumé de la thèse

Résumé de la thèse

L'un des principaux objectifs des réseaux cellulaires 5G et 5G-beyond est de permettre la coexistence de services hétérogènes au sein d'une même architecture de réseau. Certains de ces services nécessitent des débits crêtes de données très élevés et une adaptation rapide de l'état du canal, notamment dans le cas de l'eMBB (Enhanced Mobile Broadband). Afin de répondre à ces besoins, nous cherchons à améliorer l'efficacité spectrale. La communication coopérative est l'une des principales technologies de la couche physique qui vise à optimiser l'efficacité spectrale. Le concept consiste à utiliser les ressources partagées, et les informations des utilisateurs pour améliorer les processus de transmission et de réception. Le processus de coopération est réalisé à l'aide de nœuds relais. Un nœud relais peut être un nœud relais dédié ou un nœud source qui réalise la coopération entre utilisateurs. La différence entre un nœud relais et un nœud source qui met en œuvre la coopération entre utilisateurs est le fait que ce dernier a son propre message alors que le nœud relais n'en a pas.

On considère un réseau orthogonal à accès multiple et à relais multiples (Multiple Access Multiple Relay Network (MAMRN)), dans lequel au moins deux sources communiquent avec une seule destination à l'aide d'au moins deux nœuds relais. L'orthogonalité est obtenue en utilisant le multiplexage par répartition dans le temps (Time Division Multiplexing (TDM)) et tous les nœuds de relais sont supposés être en semi-duplex alors que toutes les liaisons subissent un affaiblissement lent du signal (slow fading). La destination est le nœud central où les différentes allocations sont effectuées. Dans une phase d'initialisation, un algorithme d'adaptation de lien (Link Adaptation (LA)) est exécuté où différentes ressources sont allouées aux sources. Après cette étape, la transmission d'une trame est divisée en deux phases. Dans la première phase, les sources transmettent à tour de rôle dans des tranches de temps consécutives. Dans la deuxième phase, la destination programme le(s) nœud(s) relais pour transmettre les redondances. La deuxième phase consiste en un nombre limité de tranches de temps de retransmission. Des canaux de contrôle limités bidirectionnels sont disponibles à partir des sources et des relais vers la destination pour échanger les informations nécessaires afin que la destination soit capable d'exécuter ses stratégies de sélection/allocation.

Dans la première partie de cette thèse, le problème de LA dans la phase d'initialisation est considéré. Plus précisément, les algorithmes d'allocation de débits de données sont étudiés. En raison de la complexité de l'approche de recherche exhaustive, des algorithmes séquentiels sont proposés. Les algorithmes présentés visent à maximiser l'efficacité spectrale moyenne (Average Spectral Efficiency (ASE)) sous des objectifs individuels de qualité de service (Quality of Service (QoS)) pour une famille de schémas de modulation et de codage (Modulation and Coding Scheme (MCS)) donnée. Les algorithmes sont applicables dans des scénarios de conditions radio changeant lentement ou rapidement. Les débits sont d'abord initialisés, puis une étape de correction itérative du débit est appliquée. En outre, contrairement aux systèmes de transmission coopératifs existants, la taille des paquets lors de la phase de transmission est considérée variable dans le temps. En d'autres termes, le processus LA est étendu pour déterminer à la fois le taux et la durée de l'intervalle de temps pour chaque source. L'ordonnancement et les algorithmes qui en résultent se rapprochent des performances de la limite supérieure, comme le démontrent les simulations de Monte-Carlo (MC). De plus, les résultats MC valident les améliorations apportées par l'utilisation de nœuds relais et par l'introduction d'une taille de paquet variable dans le temps.

Dans la deuxième partie de cette thèse, l'accent est mis sur la conception de stratégies de sélection de nœuds relais qui déterminent quels nœuds relais sont activés à chaque slot temporel dans la phase de retransmission. Un élément clé dans ce chapitre est d'exploiter la diversité des chemins multiples des différents nœuds de relais. Plutôt que de sélectionner un seul nœud relais pour aider un nœud source à un intervalle de temps de retransmission donné, les stratégies d'ordonnancement proposées attribuent une source à plusieurs nœuds relais. Un tel schéma de retransmission est appelé retransmission parallèle (Parallel Retransmission (PR)), car les différents nœuds relais retransmettent en parallèle. De plus, en adoptant le schéma PR, de nouvelles stratégies de sélection sont proposées afin de réduire la surcharge du processus d'échange de contrôle entre la destination et les nœuds relais. Les résultats numériques montrent que ces stratégies sont plus performantes que les stratégies de l'art antérieur qui sont basées sur la retransmission unique (Single Retransmission (SR)) et qui ignorent l'effet de la surcharge de l'échange de contrôle.

Dans la troisième partie de cette thèse, un algorithme d'allocation conjointe est présenté en supposant la présence de l'information complète sur l'état du canal (Channel State Information (CSI)) du côté de la destination. Plutôt que de résoudre séparément le problème de LA et le problème d'ordonnancement des nœuds relais, une méthode d'allocation conjointe optimale est proposée. La stratégie conjointe présentée s'appuie sur le fait que pour une décision d'ordonnancement donnée, il existe une allocation de taux optimale. En conséquence, l'algorithme proposé sélectionne l'ordonnancement qui conduit à l'allocation optimale des débits de données. En outre, en raison de la complexité de l'algorithme proposé, un algorithme séquentiel est présenté. Les simulations MC valident l'importance de la stratégie d'allocation conjointe qui surpasse les allocations non conjointes. Une autre importance de la méthode d'allocation conjointe est sa praticité par rapport à l'allocation de débits non conjointe qui nécessite de passer exhaustivement par toutes les valeurs de débits possibles. En outre, les simulations MC valident la performance de l'allocation séquentielle conjointe, qui est une solution pratique permettant d'atteindre la limite supérieure.

Dans la dernière partie, les futurs travaux et d'autres directions d’études possibles sont présentés. Plus précisément, l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage en ligne pour l'allocation de debits est envisagée. On voit qu'une façon possible d'aborder ce problème est d'adopter les méthodes de type bandit à bras multiples (Multi-Armed Bandit (MAB)). Une autre direction présentée est la généralisation du réseau considéré à d'autres scénarios d'orthogonalité où le multiplexage dans le domaine des fréquences (Frequency Domain Multiplexing (FDM)) est envisagé. En suivant le régime FDM, de nouvelles stratégies de sélection sont proposées. D'autres défis ouverts pour le MAMRN sont de considérer des antennes multiples au niveau du nœud de destination, d'étudier des systèmes non centralisés où des jeux sont observés, et d'étudier les méthodes nécessaires dans le MAMRN non orthogonal.