Conception et optimisation de protocoles de coopération pour les communications sans fil

Conception and optimization of cooperative protocols for wireless communications

• Auteur / Autrice : Kamel Tourki
• Direction : Luc Deneire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et traitement du signal
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nice-Sophia Antipolis. Faculté des sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mode de transfert asynchrone

Systèmes de communication sans fil

Codage

Résumé

Les mécanismes de coopération sont de plus en plus important dans les communications sans fil et réseaux permettant d'accroître les performances du système et ce en diminuant la consommation d'énergie, en augmentant la capacité du système et en rendant les taux de perte de paquets plus petits. L'idée de coopération peut être retracée par une étude en théorie de l'information sur le canal à relais dans le réseau cellulaire. D'un point de vue système, puisque un mobile (MS) a des limites de taille (antenne unique), de puissance, de coût et de matériel, il devient irréalisable d'utiliser la technologie MIMO pour un MS. Les utilisateurs mobiles avec antennes uniques peuvent encore profiter de la diversité spatiale par le biais de transmissions coopératives codées en espace temps. L'objectif de cette thèse est d'introduire et de discuter de diverses stratégies de coopération dans les communications sans fil. Dans la première partie, nous présentons une analyse de performances de bout en bout d'une communication coopérative asynchrone et à saut multiple, utilisant des relais regénératifs évoluant dans un canal de Rayleigh en évanouissement plat. Le schéma de conception est basé sur un précodage sur les trames qui seront encodés par paires. Ce précodage est basé sur l'ajout d'un préfixe cyclique, contenant une séquence d'apprentissage. Nous développons le taux d'erreur sur les bits et le taux d'erreur sur les bites de bout en bout relativement à une modulation BPSK, pour des canaux à gains égaux et à gains différents. Nous présentons aussi les performances en taux d'erreur sur les trames et le taux d'erreur sur les trames de bout en bout. Finalement, nous présentons une comparaison entre trois configurations que nous avons introduit, différenciées par le degré de coopération. La deuxième partie contient deux chapitres. Dans le premier chapitre, nous considérons un système dans lequel un relais choisit de coopérer que si le canal source-relais est d'une qualité acceptable et nous évaluons l'utilité du relayage lorsque la source agit aveuglément et ignore la décision des relais s'ils peuvent coopérer ou non. Dans notre étude, nous considérons de relais regénératifs pour lesquels les décisions de coopération sont fondées sur un rapport signal à bruit (SNR) seuil et d'examiner l'éventuel impact d'une détection et transmission d'erreurs par le relais. Nous dérivons le taux d'erreur sur les bits (BER) de bout en bout pour une modulation BPSK et nous examinons deux stratégies de répartition de puissance entre la source et le relais afin de minimiser le BER de bout en bout au niveau de destination pour un ordre de SNR élevé. Dans le second chapitre, nous consédérons un schéma dans lequel un relais choisit de coopérer seulement lorsque le canal source-destination est d'une qualité inaccepable. Dans notre étude, nous considérons une relais regénératif pour lequel la décision de coopération est basée sur un seuil du rapport signal à bruit et nous considérons les effets d'une éventuelle détection et transmission d'erreur par le relais. Nous développns l'expression du taux d'erreur sur les bits pour une modulation BPSK et nous examinons une stratégie optimale permettant de minimiser ce BER de bout en bout pour un orde de SNR élevé. Dans la troisième partie, nous considérons un canal à accès multiple MAC où deux utilisateurs communiquent avec une destination commune. Chaque utilisateur agit mutuellement comme un relais pour l'autre ainsi qu'il tient à transmettre ses propres informations, par opposition à une consacration totale au relayage. Nous tenons à évaluer l'utilité du relais d'un point de vue somme des taux du système (sum rate) plutôt que d'un point de vue de l'utilisateur bénéficiant de la coopération qui se fait habituellement. Nous faisons cela en permettant un compromis entre le relayage et la transmission de données via une d'allocation des ressources. Concrètement, nous proposons un régime de transmission coopérative permettant à chaque utilisateur d'allouer une certaine fraction de puissance pour sa propre transmission de données tandis que le reste est consacré au relayage. Le protocole sous-jacent est basé sur une modification du protocole Non-Orthogonal Amplify and Forward (NAF). Nous développons les expressions de capacité pour notre modèle et nous présentons une allocation de puissance optimisant une forme approche du sum rate, pour les cas centralisé et distribué. Dans le scénario distribué, une connaissance hybride de l'état du canal, partie statistique et partie instantanée, est exploitée. L'algorithme d'allocation de puissance dans le cas centralisé indique que, même dans une coopération mutuelle comme la notre, quelle que soit la réalisation du canal, la coopération mutuelle n'est jamais réelle, c'est-à-dire l'un des utilisateurs allouera toujours une puissance nulle pour relayer les données de l'autre, et donc agit égoïstement. Mais dans le cadre distribué, nos résultats indiquent que la somme des taux est maximisée lorsque les deux mobiles agissent égoïstement.

Cooperative mechanisms are becoming increasingly important in wireless communications and networks to substantially enhance system performance with respect to much less power consumption, higher system capacity and smaller packet loss rate. The idea of cooperation can be traced back to the information theory investigation on relay channel in cellular network. From the system point of view, since Mobile Station (MS) has limitations in single antenna, power, cost and hardware, it is infeasible to use MIMO technology in MS. Mobile users with single antennas can still take advantage of spatial diversity through cooperative space-time encoded transmission. The objective of this thesis is to introduce and discuss various cooperative strategies in wireless communications. In the first part, we present an end-to-end performance analysis of two-hop asynchronous cooperative diversity with regenerative relays over Rayleigh block-flat-fading channels, in which a precoding frame-based scheme with packet-wise encoding is used. This precoding is based on the addition of a cyclic prefix which is implemented as a training sequence. We derive, for equal and unequal sub-channel gains, the bit-error rate and the end-to-end bit-error rate expressions for binary phase-shift keying. We also present the performance of the frame-error rate and the end-to-end frame-error rate. Finally, comparisons between three system configurations, differing by the amount of cooperation, are presented. The second part contains two chapters. In the first chapter, we consider a scheme in which a relay chooses to cooperate only if its source-relay channel is of an acceptable quality and we evaluate the usefulness of relaying when the source acts blindly and ignores the decision of the relays whether they may cooperate or not. In our study, we consider the regenerative relays in which the decisions to cooperate are based on a signal-to-noise ratio (SNR) threshold and consider the impact of the possible erroneously detected and transmitted data at the relays. We derive the end-to-end bit-error rate (BER) for binary phase-shift keying modulation and look at two power allocation strategies between the source and the relays in order to minimize the end-to-end BER at the destination for high SNR. In the second chapter, we consider a scheme in which the relay chooses to cooperate only if the source-destination channel is of an unacceptable quality. In our study, we consider a regenerative relay in which the decision to cooperate is based on a signal-to-noise ratio (SNR) threshold and consider the effect of the possible erroneously detected and transmitted data at the relay. We derive an expression for the end-to-end bit-error rate (BER) of binary phase-shift keying (BPSK) modulation and look at the optimal strategy to minimize this end-to-end BER at the destination for high SNR. In the third part, we consider a multiple access MAC fading channel with two users communicating with a common destination, where each user mutually acts as a relay for the other one as well as wishes to transmit his own information as opposed to having dedicated relays. We wish to evaluate the usefulness of relaying from the point of view of the system's throughput (sum rate) rather than from the sole point of view of the user benefiting from the cooperation as is typically done. We do this by allowing a trade-off between relaying and fresh data transmission through a resource allocation framework. Specifically, we propose cooperative transmission scheme allowing each user to allocate a certain amount of power for his own transmitted data while the rest is devoted to relaying. The underlying protocol is based on a modification of the so-called non-orthogonal amplify and forward (NAF) protocol. We develop capacity expressions for our scheme and derive the rate-optimum power allocation, in closed form for centralized and distributed frameworks. In the distributed scenario, partially statistical and partially instantaneous channel information is exploited. The centralized power allocation algorithm indicates that even in a mutual cooperation setting like ours, on any given realization of the channel, cooperation is never truly mutual, i. E. One of the users will always allocate zero power to relaying the data of the other one, and thus act selfishly. But in distributed framework, our results indicate that the sum rate is maximized when both mobiles act selfishly