Resource allocation and performance metrics analysis in cooperative cellular networks
Allocation de ressource et analyse des critères de performance dans les réseaux cellulaires coopératifs
Résumé
In wireless systems, transmitting large amounts of information with low energetic cost are two main issues that have never stopped drawing the attention of the scientific community during the past decade. Later, it has been shown that cooperative communication is an appealing technique that exploits spatial diversity in wireless channel. Therefore, this technique certainly promises a robust and reliable communications, higher quality-of-service (QoS) and makes the cooperation concept attractive for future cellular systems. Typically, the QoS requirements are the packet error rate, throughput and delay. These metrics are affected by the delay, where each erroneous packet is retransmitted several times according to Hybrid-Automatic Repeat-Request (HARQ) mechanism inducing a delay on the demanded QoS but a temporal diversity is created. Therefore, adopting jointly cooperative communications and HARQ mechanisms could be beneficial for designing cross-layer schemes. First, a new rate maximization strategy, under heterogeneous data rate constraints among users is proposed. We propose an algorithm that allocates the optimal power at the base station (BS) and relays, assigns subcarriers and selects relays. The achievable data rate is investigated as well as the average starvation rate in the network when the load, i.e. the number of active users in the network, is increasing. It showed a significant gain in terms of global capacity compared to literature. Second, in block fading channel, theoretical analyses of the packet error rate, delay and throughput efficiency in relayassisted HARQ networks are provided. In slow fading channels, the average delay of HARQ mechanisms w.r.t. the fading states is not relevant due to the non-ergodic process of the fading channel. The delay outage is hence invoked to deal with the slow fading channel and is defined as the probability that the average delay w.r.t. AWGN channel exceeds a predefined threshold. This criterion has never been studied in literature, although being of importance for delay sensitive applications in slow fading channels. Then, an analytical form of the delay outage probability is proposed which might be useful to avoid lengthy simulations. These analyses consider a finite packet length and a given modulation and coding scheme (MCS) which leads to study the performance of practical systems. Third, a theoretical analysis of the energy efficiency (bits/joule) in relay-assisted HARQ networks is provided. Based on this analysis, an energy minimization problem in multiuser relayassisted downlink cellular networks is investigated. Each user has an average delay constraint to be satisfied such that a total power constraint in the system is respected. The BS is assumed to have only knowledge about the average channel statistics but no instantaneous channel state information (CSI). Finally, an algorithm that jointly allocates the optimal power at BS, the relay stations and selects the optimal relay in order to satisfy the delay constrains of users is proposed. The simulations show the improvement in terms of energy consumption of relay-assisted techniques compared to nonaided transmission in delay-constrained systems. Hence, the work proposed in this thesis can give useful insights for engineering rules in the design of the next generation energyefficient cellular systems.
Dans les systèmes de communications sans fil, la transmission de grandes quantités d'information et à faible coût énergétique sont les deux principales questions qui n'ont jamais cessé d'attirer l'attention de la communauté scientifique au cours de la dernière décennie. Récemment, il a été démontré que la communication coopérative est une technique intéressante notamment parce qu'elle permet d'exploiter la diversité spatiale dans le canal sans fil. Cette technique assure une communication robuste et fiable, une meilleure qualité de service (QoS) et rend le concept de coopération prometteur pour les futurs générations de systèmes cellulaires. Typiquement, les QoS sont le taux d'erreurs paquet, le débit et le délai. Ces métriques sont impactées par le délai, induit par les mécanismes de retransmission Hybrid-Automatic Repeat-Request (HARQ) inhérents à la réception d'un paquet erroné et qui a un retard sur la QoS demandée. En revanche, les mécanismes HARQ créent une diversité temporelle. Par conséquent, l'adoption conjointe de la communication coopérative et des protocoles HARQ pourrait s'avérer avantageux pour la conception de schémas cross-layer. Nous proposons tout d'abord une stratégie de maximisation de débit total dans un réseau cellulaire hétérogène. Nous introduisons un algorithme qui alloue la puissance optimale à la station de base (BS) et aux relais, qui à chaque utilisateur attribue de manière optimale les sous-porteuses et les relais. Nous calculons le débit maximal atteignable ainsi que le taux d'utilisateurs sans ressources dans le réseau lorsque le nombre d'utilisateurs actifs varie. Nous comparons les performances de notre algorithme à ceux de la littérature existante, et montrons qu'un gain significatif est atteint sur la capacité globale. Dans un second temps, nous analysons théoriquement le taux d'erreurs paquet, le délai ainsi que l'efficacité de débit des réseaux HARQ coopératifs, dans le canal à évanouissements par blocs. Dans le cas des canaux à évanouissement lents, le délai moyen du mécanisme HARQ n'est pas pertinent à cause de la non-ergodicité du processus. Ainsi, nous nous intéressons plutôt à la probabilité de coupure de délai en présence d'évanouissements lents. La probabilité de coupure de délai est de première importance pour les applications sensibles au délai. Nous proposons une forme analytique de la probabilité de coupure permettant de se passer de longues simulations. Dans la suite de notre travail, nous analysons théoriquement l'efficacité énergétique (bits/joule) dans les réseaux HARQ coopératifs. Nous résolvons ensuite un problème de minimisation de l'énergie dans les réseaux coopératifs en liaison descendante. Dans ce problème, chaque utilisateur possède une contrainte de délai moyen à satisfaire de telle sorte que la contrainte sur la puissance totale du système soit respectée. L'algorithme de minimisation permet d'attribuer à chaque utilisateur la station-relai optimale et sa puissance ainsi que la puissance optimale de la BS afin de satisfaire les contraintes de délai. Les simulations montrent qu'en termes de consommation d'énergie, les techniques assistées par relais prédominent nettement les transmissions directes, dans tout système limité en délai. En conclusion, les travaux proposés dans cette thèse peuvent promettre d'établir des règles fiables pour l'ingénierie et la conception des futures générations de systèmes cellulaires énergétiquement efficaces.
Origine : Version validée par le jury (STAR)