Optimization in cognitive radio systems with successive interference cancellation and relaying

par Marwa Chami

Thèse de doctorat en Radiocommunications

Sous la direction de Didier Le Ruyet.

Le président du jury était Pierre Duhamel.

Le jury était composé de Mylène Pischella, Faouzi Carlos Bader, Marios Kountouris.

Les rapporteurs étaient Jean-Marie Gorce, Jean-François Hélard.

  • Titre traduit

    Optimisation des systèmes cognitifs avec annulation successive d'interférence et relayage


  • Résumé

    La Radio Cognitive (CR) est une technique prometteuse pour assurer une utilisation efficace du spectre. Elle permet à un utilisateur non licencié appelé utilisateur secondaire (SU) de coexister avec un utilisateur agréé appelé utilisateur primaire (PU) sans dégrader les performances du dernier. Dans un système de CR, le SU a la capacité de s'adapter à son environnement afin de détecter des trous de fréquences possibles dans le spectre et transmettre dans ces trous sous certaines contraintes de manière à augmenter le débit total. Par ailleurs, l'allocation des ressources dans les systèmes CR forme l'un des scénarios étudiés les plus courantes en particulier pour des transmissions à porteuses multiples.Dans cette thèse, nous étudions le problème d'allocation des ressources pour un système CR à multi-utilisateur pour une transmission de liaison montante. On considère le scénario underlay où le SU est autorisé à coexister avec le PU à condition que l'interférence causé au PU soit inférieure à un seuil prédéfini. Nous appliquons deux techniques de décodage, l'annulation successive d'interférence (SIC) et le codage à superposition (SC), au SU afin de maximiser le débit secondaire.Dans une première étape, le scénario mono-utilisateur est étudié, en supposant que les informations d'état de canal sont connues parfaitement au SU. Nous évaluons la performance du système en proposant un algorithme de décodage adaptatif où le SU peut soit traiter l'interférence venant du primaire comme du bruit, ou bien appliquer le SIC ou SC. Nous étudions le problème d'allocation de puissance en tenant compte du budget de puissance et des contraintes de seuil d'interférence. Une solution générale pour le problème d'optimisation est proposé. L'analyse des simulations et les résultats théoriques montrent que l'algorithme proposé assure une augmentation sur le débit total du système.Ensuite, le scénario multi-utilisateurs secondaires est étudié, où plusieurs utilisateurs sont autorisés à exister dans la cellule secondaire. Les problème d'allocation de puissance et de sous-porteuses sont détaillés dans le but de maximiser le débit. Nous mettons en évidence les avantages de l'algorithme adaptatif dans le cas multi-utilisateur, qui comprend trois phases. La première étape comprend la sélection adaptative de la stratégie de décodage au niveau du récepteur secondaire. La deuxième étape décrit l'attribution de sous-porteuses parmi les différents utilisateurs. Enfin, la troisième étape détaille la répartition optimale du budget de puissance disponible sur les utilisateurs.Cependant, la connaissance parfaite du canal nécessite des mesures de canal parfait au niveau du récepteur et un lien de rétroaction parfaite pour envoyer ces informations à l'émetteur, ce qui peut être impossible à mettre en œuvre. Ainsi, nous étudions aussi le scénario mono-utilisateur en supposant que juste la connaissance statistique des gains de canaux primaires est disponible au SU. Nous détaillons les expressions analytiques pour les probabilités de panne et nous résolvons le problème d'optimisation non-convexe en utilisant un algorithme d'approximation séquentielle. Les simulations montrent que l'algorithme proposé est efficace et robuste.Enfin, nous proposons un nouveau modèle de système où le récepteur secondaire peut agir comme un nœud de relayage Full-Duplex (FD) afin de maximiser le débit primaire. Le scénario proposé est d'abord étudié pour un schéma de modulation à mono-porteuse dans les cas Amplify-and-Forward (AF) et Decode-and-Forward (DF). Les contraintes pour appliquer le SIC et pour le relayage sont déterminés et les nouveaux débits réalisables sont spécifiés de telle sorte que le nœud de relayage relaie si le nouveau débit atteignable est meilleur que celui obtenu sans relayage. En outre, le scénario FD avec DF est étudié avec la modulation multi-porteuse et les performances de ce modèle sont évaluées. Une amélioration importante sur le débit primaire est affiché.


  • Résumé

    Cognitive Radio (CR) is a promising technique for efficient spectrum utilization. The CR technology permits an unlicensed user called Secondary User (SU) to coexist with the licensed user called Primary User (PU) without degrading his performance. In a CR system, the SU has the ability to sense and adapt to his environment in order to detect possible frequency holes in the wireless spectrum and transmit in it under some constraints so as to increase the total data rate. Besides, resource allocation in CR systems is one of the most common studied scenarios especially for multi-carrier transmissions, with the aim to maximize the system throughput.In this thesis, we investigate the resource allocation problem for an uplink multi-user underlay CR system where the SU is allowed to coexist with the PU provided that the interference caused to the PU is below a predefined threshold. We apply two decoding techniques, Successive Interference Cancellation (SIC) and Superposition Coding (SC), at the SU in order to maximize the secondary rate. In a first step, the single-user scenario is studied, assuming perfect channel state information (CSI) at the SU. We evaluate the performance of the system by proposing an adaptive decoding algorithm where the SU can either treat the interference as noise or perform SIC or SC. We investigate the power allocation problem taking into account the power budget and the interference threshold constraints. A general solution for the power optimization problem in an uplink underlay CR system is proposed. Both theoretical analysis and simulation results show that the proposed algorithm achieves higher sum rate than classical algorithms, providing high-enough data rates for the secondary system at the expense of a very low degradation of the primary system's rate.Then, the secondary multi-user scenario is investigated, where multiple users are allowed to exist in the secondary cell. Power and subcarrier allocation problems are detailed in order to maximize the secondary rate. We highlight the benefits of the proposed multi-user adaptive algorithm which encompasses three phases. The first step includes the adaptive selection of the decoding strategy at the secondary receiver. The second step describes the subcarrier allocation among the different users. Finally, the third step details the optimal distribution of the available power budget on the users.However, perfect channel knowledge requires perfect channel measurements at the receiver and a perfect feedback link to send this channel information to the transmitter, which may be impractical to implement. Thus, we also study the single-user scenario assuming that only statistical CSI of channel gains between the primary transmitter and both primary and secondary receivers is available at the SU. We detail the analytical expressions for the outage probabilities and then we solve the non-convex optimization problem using a sequential approximation algorithm. simulations show that the proposed algorithm is efficient and robust with statistical CSI. This work can be easily extended to the multi-user case.Finally, we propose a new system model where the secondary receiver acts as a Full-Duplex (FD) relay node in order to maximize the primary rate and thus the total system rate. The proposed scenario is first studied for single-carrier modulation scheme for both Amplify-and-Forward (AF) and Decode-and-Forward (DF) relaying protocols. The constraints to apply SIC and to relay are determined and the new achievable rates are specified such that the relay node relays whenever the new achievable rate is better than the one achieved without relying. Furthermore, the performance of the DF relaying scheme in the FD mode is evaluated for multi-carrier modulation. The performance of the proposed system model is evaluated via simulations and an important improvement of the primary achievable rate and thus of the total system rate is shown.



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