Allocation des ressources fondée sur la qualité du canal pour la voie descendante des systèmes LTE

Resources allocation based on channel quality for the downlink of LTE systems

• Auteur / Autrice : Fan Huang
• Direction : Véronique Vèque, Joanna Tomasik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 16/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Steven Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Vèque, Joanna Tomasik, Steven Martin, Marceau Coupechoux, Megumi Kaneko, André-Luc Beylot, Jean-Christophe Schiel, Djamal Zeghlache
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marceau Coupechoux, Megumi Kaneko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Newton, Méthode de

Radio -- Antennes

Optimisation globale

Théorie des jeux

Mots clés libres

Ofdma

Ressources Blocs

Théorie des jeux

Beamforming Technique

Théorie d'optimisation

Ofdma

Resource Block

Game Theory

Beamforming Technique

Optimization theory

Résumé

La recherche effectuée dans cette thèse a pour cadre les réseaux radio privés dédiés aux forces de sécurité civile. En effet, doté actuellement d’un service bande étroite, ils doivent évoluer pour faire face à de nouveaux besoins comme la vidéo ou le multimédia. L’objectif est donc d’adapter la technologie LTE aux contraintes et propriétés de ces réseaux particulier. Ainsi, le nombre d’utilisateurs est limité mais le service doit toujours être disponible et des priorités peuvent être mises en œuvre.Dans ce contexte, l’allocation des ressources de communication est un problème important avec des prérequis différents des réseaux d’opérateurs. Notre conception d’algorithmes d’allocation a donc été menée avec deux objectifs principaux : maximiser l'efficacité du spectre et servir équitablement les utilisateurs au lieu de maximiser le débit global du réseau.Cette thèse propose des nouvelles stratégies de l’allocation des blocs de ressources (RB) dans les systèmes LTE sur le lien descendant. Au contraire des algorithmes classiques d'allocation des ressources qui se basent sur la capacité de RB déjà estimée, nos stratégies d’allocation des RB cherchent à améliorer le débit utilisateur, en utilisant la coopération à base de Beamforming et les modèles de la théorie des jeux.1. L’interférence inter-cellulaire est le principal problème des systèmes OFDMA. Grâce aux antennes MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output), la technique de Beamforming améliore le signal reçu afin d'augmenter le SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio), mais le signal amélioré peut également influencer l’interférence inter-cellulaire dans les cellules voisines. Dans les méthodes traditionnelles, le contrôleur alloue les RBs aux UEs (User Equipement) en fonction de la capacité des RB et d'autres paramètres, le système applique alors la technique de Beamforming aux équipements utilisateurs choisis. Après la formation des faisceaux, la capacité des RB varie mais l'ordonnanceur conserve la même allocation. Au contraire, notre système alloue les RBs et choisit les vecteurs de Beamforming conjointement pour améliorer les performances de la technique de Beamforming. Il accroît le débit moyen en augmentant la capacité moyenne du RB. Comme plusieurs paramètres sont pris en compte, la complexité augmente exponentiellement aussi. Dans cette thèse, nous avons développé une méthode itérative pour réduire la complexité. Notamment, elle améliore de plus de 10% le débit des utilisateurs en bord de la cellule.2. Contrairement aux performances des algorithmes qui maximisent le débit global du réseau, les approches d’allocation de ressources à base de théorie des jeux maximisent la fonction d'utilité des UE du point de vue économique. Si le modèle a une solution NBS (Nash Bargaining Solution) il offre une solution optimale de Pareto de la fonction d'utilité. L’allocation traditionnelle est d'optimiser l'allocation de sous-porteuses à chaque intervalle de temps, mais dans le système OFDMA, les sous-porteuses sont formées de RBs dans le temps. Nous proposons une approche RB NBS, qui est plus efficace que les schémas existants. Nous analysons les canaux de fast-fading et les comparons sans l'influence de l’atténuation. En raison de la grande atténuation de signal en bordure de la cellule, l’utilisateur a toujours des RB de plus faible capacité que celui au centre de la cellule. Notre idée est d'ajouter un facteur de compensation pour combattre l'influence de la perte de propagation. Les facteurs de compensation sont soigneusement choisis afin de maximiser la fonction NBS. Cependant, le calcul de ces facteurs a une grande complexité et nous développons quatre solutions approchées qui donnent les mêmes performances avec une bonne précision. L'évaluation des performances de notre approche confirme que notre méthode et ses solutions approchées sont capables de partager équitablement les ressources sur toute la cellule.

This research takes place in the context of Private Mobile Radio networks evolution which aims at designing a new LTE based PMR technology dedicated to public security services. As the frequency bands dedicated to this service is scarce and the need of public safety forces is different, we have revisited the Resource Allocation problem in this thesis with two main objectives: designing new allocation algorithms which outperform the spectrum efficiency and serving fairly the users instead of maximizing the global network throughput.This thesis proposes new Resource Block (RB) allocation strategies in LTE downlink systems. Instead of the well-known resource allocation algorithms, which work on the condition that the RB capacity is already estimated, our RB allocation schemes can improve the potential of the channel capacity, using Beamforming cooperation and game-theoretical problems1. With the MIMO (Multiple-Input-Multiple-output) antennas, the Beamforming technique improves the received signal in order to increase the SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio), but the improved signal may also influence the inter-cell interference in the neighbouring cells. As inter-cell interference is the main interference in the OFDMA system, a smart scheduling can choose UEs (User Equipment) in adjacent cells to control interference increment caused by Beamforming.In traditional methods, the scheduler allocates RBs to UEs depending on the RB capacities and other parameters, the system then applies the Beamforming technique to these chosen UEs. After the Beamforming, the RB capacity varies but the scheduler keeps the same allocation.Our scheme allocates the RBs and chooses Beamforming vectors at the same time to enhance the performance of the Beamforming technique. It increases the average throughput by increasing the RB’s average capacity. Because more parameters are taken into account, the complexity also increases exponentially. In the thesis we find an iterative method to reduce the complexity. From the simulations, our iterative method also has good performance and improves more than 10% of throughput on the cell edge.2. In contrast to the performance first algorithms, game theoretic allocation schemes maximize the UEs’ utility function from the economical point of view. The NBS (Nash Bargaining Solution) offers a Pareto optimal solution for the utility function.The traditional NBS allocation in an OFDMA system is to optimize the subcarrier allocation at each time slot, but in the OFDMA system, the subcarriers are composed of Resource Blocks (RB) in time series. We propose an RB NBS approach, which is more efficient than the existing subcarrier NBS allocation scheme.We analyze the fast-fading channels and compare them without the path-loss influence. Because of the great path-loss in cell edge, the edge UE always has lower RB capacity than the cell center UE. Our idea is to bring in a compensating factor to overcome this path-loss influence, and the compensating factors are carefully chosen to maximize the NBS function. However, the computation of these factors has a high complexity and we develop four approximated solutions which give same performance and accuracy. The performance evaluation confirms that our method and its approximated solutions are able to spread resources fairly over the entire cell.