Conception et évaluation des performances d'un réseau de communication coopératif

Conception and performance analysis of a wireless cooperative network

• Auteur / Autrice : Brice Djeumou
• Direction : Pierre Duhamel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radio cognitive

Moyens de communication

Réseaux d'information

Mots clés libres

Communications sans fils

Théorie de Shannon

Canal à relais

Canal à interférence

Stratégie de relayage

Résumé

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre général du problème de la coopération dans les réseaux multiutilisateur. L’objectif de la coopération pouvant être, en particulier, d’accroître les débits de communication des utilisateurs et/ou d’augmenter la fiabilité des communications. Nous avons adopté une approche théorique et une approche pratique du problème. En théorie de Shannon, nous nous intéressons tout d’abord au modèle de base de réseau coopératif qu’est le canal à relais pour lequel nous élaborons un théorème de codage simple. Par la suite nous compliquons les modèles de réseau coopératif étudiés. Ainsi, dans un premier temps, nous nous intéressons au canal à interférence à relais (IRC) pour lequel nous donnons des théorèmes de codage basés sur les stratégies de Cover et El Gamal (decode-and-forward et estimate-and-forward). Ensuite, afin de quantifier les gains liés aux possibilités de re-exploitation du spectre en fréquence que permet la radio cognitive, nous introduisons un nouveau canal consistant en un canal à interférence en parallèle avec un IRC que nous analysons sous l’angle de la théorie des jeux (existence inconditionnelle et unicité garantie d’un état prédictible stable du réseau : équilibre de Nash). Nous nous sommes également fiés aux protocoles pratiques de relayage et à la recombinaison de signaux dans les canaux coopératifs avec orthogonalité aux nœuds destination tout en mettant l’accent sur la complexité que nous souhaitons maintenir à un niveau bas. D’une part, nous élaborons deux protocoles dénommés quantize-and-forward et amplify-and-forward. D’autre part, vu les performances médiocres du combineur du maximum ratio combining (MRC), nous proposons de nouveaux combineurs adaptés à différents protocoles de relayage afin de tirer profit de la coopération en termes de gain en puissance ou de diversité quelques soient les conditions en SNR de canal.

This thesis addresses the study of the user cooperation in wireless networks. The goal of the user cooperation is to increase user data rates and/or to improve communications efficiency. We have adopted both a Shannon theoretical approach and a practical approach. Our results in Shannon theory are obtained on some models of cooperative networks. We start with the basic model of cooperative network which is the relay channel and we derive a simple coding theorem for it. Remember that the main results on this channel model are due to Cover and El Gamal. Next we consider more elaborated cooperative networks in order to analyse the impact of inter-user interference. In a first time we consider the interference relay channel (IRC) for which we generalize the results of Cover and El Gamal on relaying strategies. Thereafter, in order to quantify the gain due to the degree of freedom that the cognitive radio allows in the use of the radio frequency spectrum, we introduce a new channel consisting of an IRC in parallel with an interference channel. For this later channel we adopt a game theoretical approach (existence and uniqueness of a predictable and stable state of the network: Nash equilibrium). For the practical approach of the user cooperation, in a first time, we propose two relaying protocols with low complexity levels namely Quantize-and-Forward and Clipped Amplify-and-Forward. Next, for cooperative networks with orthogonality at the receiver node, in order to mitigate the possible performance loss due to the use of the Maximum Ratio Combiner (MRC) and to take advantage (power gain or diversity gain) of the cooperation whatever is the SNR configuration of the network, we develop several new combining schemes.