Networks with mixed-delay constraints

par Homa Nikbakht

Thèse de doctorat en Réseaux, information et communications

Sous la direction de Michèle Wigger et de Sarah Kamel.

Soutenue le 15-12-2020

à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec Télécom Paris (Palaiseau) (Etablissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Walid Hachem.

Le jury était composé de Michèle Wigger, Sarah Kamel, Osvaldo Simeone, Jean-Marie Gorce, Shlomo Shamai, Malcolm Egan, Mari Kobayashi.

Les rapporteurs étaient Osvaldo Simeone, Jean-Marie Gorce.

  • Titre traduit

    Réseaux avec contraintes de latence mixtes


  • Résumé

    Les réseaux de communication sans fil modernes doivent s'adapter à différents types de trafic de données avec des contraintes de latence différentes. Les applications vidéo sensibles à la latence, en particulier, représentent une part croissante du trafic de données. En outre, les réseaux modernes doivent accepter des débits de données élevés, ce qu'ils peuvent faire par exemple avec des terminaux coopératifs ou avec l'assistance de relais tels que les drones. Cependant, la coopération introduit généralement des retards de communication supplémentaires et n'est donc pas applicable au trafic de données sensibles à la latence.Cette thèse porte sur les réseaux d'interférence avec des contraintes de latence mixtes et sur les architectures de systèmes où des émetteurs et/ou des récepteurs voisins peuvent coopérer. Dans de tels systèmes, les messages sensibles à la latence doivent être encodés et décodés sans délai et ainsi ne peuvent pas bénéficier des liens de coopération disponibles. Nous proposons différents schémas de codage pour permettre la transmission simultanée de messages sensibles et insensibles à la latence. Pour les schémas proposés, nous analysons les gains de multiplexage (MG) qu'ils réalisent sur le réseau de transfert intercellulaire souple de Wyner, le réseau symétrique de Wyner, le réseau hexagonal et le réseau hexagonal sectorisé. Pour le réseau de transfert souple de Wyner et le réseau symétrique de Wyner, nous identifions aussi des résultats étroits s'agissant de leurs limites en théorie de l'information et nous définissons ainsi l'ensemble exact de paires MG qui peuvent être obtenus simultanément pour les données sensibles et insensibles à la latence. Ces résultats montrent que lorsque les émetteurs et les récepteurs peuvent coopérer et que les taux de coopération sont suffisamment élevés, il est possible d'obtenir le plus grand MG possible pour les messages sensibles à la latence sans pénaliser la somme maximale des MG pour l'ensemble des messages sensibles et insensibles à la latence. Cependant, la somme des MG des systèmes que nous proposons pour le modèle hexagonal est diminuée en présence de données sensibles à la latence. Cette pénalité disparaît dans le cas du réseau hexagonal sectorisé quand chaque cellule est divisée en trois secteurs non interférents en équipant les stations de base d'antennes directionnelles.Nous proposons, de surcroît, des schémas de codage similaires en fonction de différents types d'activité aléatoire de la part des usagers du réseau. Nous considérons plus particulièrement deux configurations. Dans la première configuration, l'augmentation du taux de MG correspondant aux données sensibles à la latence diminue toujours la somme des MG. En revanche, dans la seconde configuration, pour certains paramètres, la plus grande somme des MG est obtenue au maximum du taux de MG correspondant aux données sensibles à la latence et donc l'augmentation des MG sensibles à la latence améliore la somme des MG.Nous étudions aussi un réseau d'accès radio "cloud" avec des contraintes de latence mixtes, c'est-à-dire où chaque utilisateur mobile peut simultanément envoyer un flux sensible à la latence et un flux qui la tolère et où seules les données sensibles sont décodées conjointement au sein du cloud. Pour ce réseau, nous dérivons les limites intérieures et extérieures de la région de capacité sous des contraintes de latence mixtes, et nous caractérisons précisément la région MG optimale. Lorsque le rapport signal/bruit (SNR) est élevé, nos résultats démontrent que, pour des capacités frontales modérées, le MG maximal pour les messages sensibles à la latence reste inchangé sur une large gamme de petits et moyens MG de messages sensibles à la latence. Pour un SNR modéré, les résultats montrent que lorsque le débit de messages sensibles à la latence est faible ou modéré, nous obtenons une somme de débit de données constante.


  • Résumé

    Modern wireless communication networks have to accommodate different types of data traffic with different latency constraints. In particular, delay-sensitive video-applications represent an increasing portion of data traffic. Modern networks also have to accommodate high total data rates, which they can accomplish for example with cooperating terminals or with helper relays such as drones. However, cooperation typically introduces additional communication delays, and is thus not applicable to delay-sensitive data traffic.This thesis focuses on interference networks with mixed-delay constraints and on system architectures where neighbouring transmitters and/or neighbouring receivers can cooperate. In such systems, delay-sensitive messages have to be encoded and decoded without further delay and thus cannot benefit from available cooperation links.We propose various coding schemes that can simultaneously accommodate the transmission of both delay-sensitive and delay-tolerant messages. For the proposed schemes we analyze the multiplexing gains (MG) they achieve over Wyner's soft hand-off network, Wyner's symmetric network, the hexagonal network and the sectorized hexagonal network. For Wyner's soft hand-off network and Wyner's symmetric network, we also provide tight information-theoretic converse results and thus establish the exact set of MG pairs that can simultaneously be achieved for delay-sensitive and delay-tolerant data. These results demonstrate that when both transmitters and receivers cooperate and the cooperation rates are sufficiently large, it is possible to achieve the largest MG for delay-sensitive messages without penalizing the maximum sum MG of both delay-sensitive and delay-tolerant messages. In contrast, under our proposed schemes, the sending of delay-sensitive data in hexagonal models decreases the maximum sum MG. This penalty vanishes when we consider the sectorized hexagonal network where each cell is divided into three non-interfering sectors by employing directional antennas at the base stations.We further propose similar coding schemes for scenarios with different types of random user activity. We specifically consider two setups. In the first setup, each active transmitter always has delay-tolerant data to send and delay-sensitive data arrival is random. In the second setup, both delay-tolerant and delay-sensitive data arrivals are random. The obtained MG regions show that in the first setup, increasing the delay-sensitive MG always decreases the sum MG. In contrast, in the second setup, for certain parameters, the highest sum MG is achieved at maximum delay-sensitive MG and thus increasing the delay-sensitive MG provides a gain in sum MG.Additionally, we also study a cloud radio access network with mixed delay constraints, i.e., where each mobile user can simultaneously send a delay-sensitive and a delay-tolerant stream and only the delay-tolerant data is jointly decoded at the cloud unit. For this network, we derive inner and outer bounds on the capacity region under mixed delay constraints, and we exactly characterize the optimal MG region. At high signal-to-noise ratio (SNR), our results show that for moderate fronthaul capacities, the maximum MG for delay-sensitive messages remains unchanged over a large regime of small and moderate MGs of delay-sensitive messages. The sum MG is thus improved if some of the messages can directly be decoded at the base stations. At moderate SNR, the results show that when the data rate of delay-sensitive messages is small or moderate, the achievable sum rate is constant.


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