Allocation de ressources pour les systèmes de communication sans fil sensible à latence

Resource allocation for latency sensitive wireless systems

• Auteur / Autrice : Apostolos Avranas
• Direction : Philippe Ciblat, Marios Kountouris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Information, communications, électronique
• Date : Soutenance le 04/06/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Michèle Wigger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giuseppe Durisi, Rémi Munos
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Marie Gorce, Petar Popovski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Allocation de ressources (radiotéléphonie)

Technologie 5G

Mots clés libres

Programmation dynamique

Optimisation

Apprentissage par renforcement

Théorie de l'information

Latence

Dynamic Programming

Optimization

Reinforcement learning

Information Theory

Latency

Résumé

La nouvelle génération de systèmes de communication sans fil 5G vise non seulement à dépasser le débit de données du prédécesseur (LTE), mais à améliorer le système sur d'autres dimensions. Dans ce but, davantage de classes d'utilisateurs ont été introduites afin de fournir plus de choix de types de service. Chaque classe est un point différent sur le compromis entre le débit de données, la latence et la fiabilité. Maintenant, beaucoup de nouvelles applications, notamment la réalité augmentée, la conduite autonome, l'automatisation de l'industrie et la téléchirurgie, poussent vers un besoin de communications fiables avec une latence extrêmement faible. Comment gérer la couche physique afin de garantir ces services sans gaspiller des ressources précieuses et coûteuses est une question difficile. En outre, comme les latences de communication autorisées diminuent, l'utilisation d'un protocole de retransmission est contestable. Dans cette thèse, nous tentons de répondre à ces deux questions. En particulier, nous considérons un système de communication point à point, et nous voulons répondre s'il existe une allocation de ressources de puissance et de bande passante qui pourrait rendre le protocole Hybrid Automatic ReQuest (HARQ) avec n'importe quel nombre de retransmissions avantageux. Malheureusement, les exigences de très faible latence obligent à transmettre qu'un nombre limité de symboles. Par conséquent, l'utilisation de la théorie traditionnelle de Shannon est inadaptée et une autre beaucoup plus compliquée doit être employée, qui s'appelle l'analyse à bloc fini. Nous parvenons à résoudre le problème dans le cas du bruit additif blanc gaussien (AWGN) en appliquant des manipulations mathématiques et l'introduction d'un algorithme basé sur la programmation dynamique. À l'étape suivante, nous passons au cas plus général où le signal est déformé par un évanouissement de Rice. Nous étudions comment l'allocation de ressources est affectées étant donné les deux cas opposés d'informations sur l'état du canal (CSI), l'un où seules les propriétés statistiques du canal sont connues (CSI statistique), et l'autre où la valeur exacte du canal est fournie au émetteur(CSI complet).Finalement, nous posons la même question concernant le couche au-dessus, c'est-à-dire le Medium Access Control (MAC). L'allocation des ressources est maintenant effectuée sur plusieurs utilisateurs. La configuration pour chaque utilisateur reste la même, c'est-à-dire qu'une quantité précise de données doit être délivrée sous des contraintes de latence stricte et il y a toujours la possibilité d'utiliser des retransmissions. Comme la 5G classe les utilisateurs en classes d'utilisateurs différentes selon leurs besoins, nous modélisons le trafic d'utilisateurs avec le même concept. Chaque utilisateur appartient à une classe différente qui détermine sa latence et ses besoins en données. Nous développons un algorithme d'apprentissage par renforcement profond qui réussit à entraîner un modèle de réseau de neurones artificiels que nous comparons avec des méthodes conventionnelles en utilisant des algorithmes d'optimisation ou d'approches combinatoires. En fait, dans nos simulations le modèle de réseau de neurones artificiels parvient à les surpasser dans les deux cas de connaissance du canal (CSI statistique et complet).

The new generation of wireless systems 5G aims not only to convincingly exceed its predecessor (LTE) data rate but to work with more dimensions. For instance, more user classes were introduced associated with different available operating points on the trade-off of data rate, latency, reliability. New applications, including augmented reality, autonomous driving, industry automation and tele-surgery, push the need for reliable communications to be carried out under extremely stringent latency constraints. How to manage the physical level in order to successfully meet those service guarantees without wasting valuable and expensive resources is a hard question. Moreover, as the permissible communication latencies shrink, allowing retransmission protocol within this limited time interval is questionable. In this thesis, we first pursue to answer those two questions. Concentrating on the physical layer and specifically on a point to point communication system, we aim to answer if there is any resource allocation of power and blocklength that will render an Hybrid Automatic ReQuest (HARQ) protocol with any number of retransmissions beneficial. Unfortunately, the short latency requirements force only a limited number of symbols to possibly be transmitted which in its turn yields the use of the traditional Shannon theory inaccurate. Hence, the more involved expression using finite blocklength theory must be employed rendering the problem substantially more complicate. We manage to solve the problem firstly for the additive white gaussian noise (AWGN) case after appropriate mathematical manipulations and the introduction of an algorithm based on dynamic programming. Later we move on the more general case where the signal is distorted by a Ricean channel fading. We investigate how the scheduling decisions are affected given the two opposite cases of Channel State Information (CSI), one where only the statistical properties of the channel is known, i.e. statistical CSI, and one where the exact value of the channel is provided to the transmitter, i.e., full CSI.Finally we ask the same question one layer above, i.e. the Medium Access Contron (MAC). The resource allocation must be performed now accross multiple users. The setup for each user remains the same, meaning that a specific amount of information must be delivered successfully under strict latency constraints within which retransmissions are allowed. As 5G categorize users to different classes users according to their needs, we model the traffic under the same concept so each user belongs to a different class defining its latency and data needs. We develop a deep reinforcement learning algorithm that manages to train a neural network model that competes conventional approaches using optimization or combinatorial algorithms. In our simulations, the neural network model actually manages to outperform them in both statistical and full CSI case.