Communications sans-fils de paquets très courts : nouveaux défis pour la couche physique

Short frame wireless communications : new challenges for the physical layer

• Auteur / Autrice : Alex The Phuong Nguyen
• Direction : Frédéric Guilloud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance le 27/11/2019
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Lab-STICC_IMTA_CACS_COM - Département Signal et Communications - Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Président / Présidente : Olivier Berder
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Guilloud, Claire Goursaud-Brugeaud, Philippe Ciblat, Charly Poulliat, Raphaël Le Bidan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Goursaud-Brugeaud, Philippe Ciblat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Couche physique (informatique)

Commutation de paquets

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Paquet court

Modulation

Synchronisation

URLLC

5G Internet des objets

Short packet

Finite blocklength

Modulation

Synchronization

Ultra reliable low latency

5G Internet of Things

Résumé

Les systèmes de communication sans fil à venir vont faire un usage intensif des transmissions de paquets courts. La norme 5G émergente en est un exemple parfait, pour lequel deux des trois principaux cas d'utilisation, les communications massives de type machine (mMTC) et les communications ultra fiables à faible latence (URLLC), reposent intrinsèquement sur des paquets courts. Un autre exemple est fourni par les récents réseaux d'accès de faible puissance (LPWAN) tels que Sigfox, LoRa, etc. et conçus pour prendre en charge l'IoT. L'utilisation de paquets courts au niveau de la couche physique peut modifier considérablement la conception des systèmes de communication numériques. En particulier, avec une longueur de bloc courte, la surcharge de l'en-tête ne peut plus être considérée comme négligeable. Plus important encore, les résultats asymptotiques de la théorie de l'information, qui ont été un guide essentiel et un moteur essentiel de la conception de systèmes de communication en constante amélioration jusqu'à présent, ne sont plus valables dans ce régime. Comment alors assurer une communication fiable sans augmenter la longueur du code puisque ce dernier n'est plus une option? Par extension et plus fondamentalement, comment concevoir la couche physique de paquets courts pour assurer des performances optimales avec l'utilisation la plus efficace possible des ressources disponibles? L'objectif de cette thèse est de revoir les techniques de conception de la couche physique pour la communication par paquets courts et de proposer de nouvelles directives de conception tirant parti des derniers résultats en matière de codage de canal dans le régime de longueur de bloc finie.

Upcoming wireless communication systems are expected to make intensive use of short packet transmission. An epitome is the emerging 5G standard, for which two out of the three principal use cases, massive Machine Type Communications (mMTC) and Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC), are intrinsically based on short packets. Another example is provided by the recent Low-Power Wide Area Networks (LPWAN) designed to support the IoT such as Sigfox, LoRa, etc.The use of short packets at the physical layer may substantially change the way digital communication systems are designed. In particular, at short block length, header overhead may no longer be considered negligible. More importantly, asymptotic results from information theory which have been a central guide and a key driver to the design of ever-improving communication systems so far no longer hold in this regime. How, then, to ensure reliable communication without increasing the code length since the latter is no longer an option ? By extension and more fundamentally, how to design the physical layer of short packets to ensure optimal performance with the most efficient use of available resources at hand ? The focus of this PhD thesis is to revisit physical layer design for short-packet communication and to propose new design guidelines leveraging the latest results on channel coding in the finite blocklength regime.