Techniques vertes d’optimisation et d’adaptation du lien radio sans-fil

par Marc-Antoine Bouzigues

Thèse de doctorat en Electronique et télécommunications

Sous la direction de Maryline Hélard.

Soutenue le 22-10-2014

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Institut d'électronique et de télécommunications (Rennes) (laboratoire) , Université européenne de Bretagne et de Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes (laboratoire) .


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, les technologies de l’information et de la communication connaissent un développement spectaculaire. Le trafic d’information augmente exponentiellement alors que l’évolution de l’efficacité énergétique des réseaux, définie généralement comme le rapport entre l’énergie utile en sortie du système et l’énergie totale fournie au système, n’augmente que de manière linéaire. Pour soutenir la demande de trafic, il est alors nécessaire de multiplier les équipements réseaux ce qui augment la facture énergétique des opérateurs et les émissions de gaz carbonique. Devant l’urgence de la situation, de nombreux projets et consortiums ont été créés avec l’objectif de renforcer l’efficacité énergétique des réseaux. Par exemple, le consortium GreenTouch™ fondé en 2010 a pour objectif d’améliorer l’efficacité énergétique des réseaux d’un facteur 1000 d’ici 2015 et de réduire leur consommation énergétique de 90% d’ici 2020 (par rapport à 2010). Le projet METIS a pour objectif de définir les télécommunications de 2020 (5G) cherche des solutions efficaces minimisant les coûts, les ressources et la consommation énergétique. Le projet MiWEBA qui intègre les ondes millimétrique aux communications mobiles dans le but d’augmenter la capacité du réseau d’un facteur 1000 avec un coût raisonnable.Dans cette thèse, nous abordons deux solutions répondant aux challenges de la 5G et permettant de réduire les niveaux des puissances rayonnées par les systèmes de télécommunications : l’amélioration de la couche physique via les techniques de focalisation spatiale et l’adaptation de lien multi-technologies. L’objectif principal de la thèse est de réaliser des transmissions de données très haut débit à forte efficacité énergétique à l’aide d’une connectivité multi-technologies sans coutures y compris dans des réseaux comprenant une multitude de périphériques à faible complexité.L’organisation de la thèse est la suivante : tout d’abord, l’implémentation de techniques de focalisation spatiale, le Retournement Temporel (RT) et l’EGT (Equal Gain Transmission), dans un système utilisant les dernières évolutions du standard IEEE 802.11, notamment l’intégration d’une composante 60 GHz, est étudiée. Les performances de ces techniques sont analysées de manière à identifier les conditions optimales de leur utilisation et il est montré qu’avec un minimum de deux antennes de transmission, elles permettent d’améliorer les performances énergétiques des systèmes tout en ayant une faible complexité d’implémentation. Des modifications du standard permettant d’augmenter l’efficacité énergétique sont également proposées. Une analyse cross-layer est ensuite réalisée afin de définir protocoles d’estimation de canal tenant compte des spécificités du RT. De plus, les améliorations énergétiques liées à l’utilisation du RT sont confirmées en tenant compte des dégradations des performances de la couche de liaison. Enfin, une métrique d’occupation temporelle est définie et associée à des techniques d’adaptation de lien mono et multi-technologies existantes dans le but d’améliorer la sélection d‘interfaces de transmission pour augmenter l’efficacité énergétique sans affecter les performances des systèmes utilisant un accès aléatoire au canal de communication. L’utilisation de cette métrique permet, dans certaines configurations, d’augmenter d’un facteur sept l’efficacité énergétique d’un système utilisant le Wi-Fi et, dans le cas multi-technologies, de répartir le trafic sur les différentes interfaces de transmission afin d’éviter la saturation des canaux de communication.

  • Titre traduit

    Green radio link adaptation and optimization techniques


  • Résumé

    Over the past few years, information and communications technologies have experienced a spectacular development. Traffic demand grows exponentially while energy efficiency of networks –usually defined as the ratio between delivered power and supplied power- only increases linearly. In order to supply the data traffic, it is necessary to duplicate networks equipments increasing energy costs for operators and carbon dioxide emissions. To face this dramatic situation, several projects and consortiums have been created and aim to increase networks energy efficiency. For instance, the GreenTouch™ consortium funded in 2010 aims to improve networks energy efficiency by a factor 1000 by 2015 and to reduce energy consumption of TICs by 90% by 2020 (compared with 2010 levels). METIS project aims to define 2020s communications (5G) search for efficient solutions with low costs, low resources use and low power consumption of systems. MiWEBA project brings millimeter-waves into the mobile radio word to extend the network capacity by 1000 at reasonable cost.In this thesis we study two solutions to answer 5G challenges and reduce radiated power levels of telecommunications systems: physical layer improvements through spatial focalization techniques and multi-technologies link adaptation. This thesis main goal is to achieve very high data transmission rates with high energy efficiency and seamless connectivity using multiple-interfaces technologies even in networks composed of a high number of low-complexity devices.The thesis is organized as follows: first, Time Reversal (TR) and Equal Gain Transmission (EGT) implementation is studied and applied to a system using the latest amendments of IEEE 802.11 standard, including 60 GHz transmissions. Performance of these techniques is analyzed in order to identify optimal conditions of use and it is shown that they only require a minimum of two transmit antennas to increase the energetic performance of systems while having a low implementation complexity. Standard modifications allowing an increase of energy efficiency are proposed. Then, a cross-layer analysis is performed to define channel estimation protocols taking TR specificities into account. Moreover, TR energetic benefits are validated considering its drawbacks at the link layer level. Finally, a time-availability metric is defined and associated to existing mono or multi-technologies adaptation techniques and aim to increase energy efficiency without degrading the performance of systems using random access to the communication channel. This metrics allows –in some configurations- to increase by a factor seven the energy efficiency of a system using Wi-Fi and, in a multi-technologies scenario, to allocate the data traffic to the several interfaces in order to avoid communication channels saturation.


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