Etude des mécanismes d'accès multiples non orthogonaux pour le déploiement massif de l'IoT dans les futurs réseaux cellulaires

Study of non-orthogonal multiple access schemes for the massive deployment of IoT in future cellular networks

• Auteur / Autrice : Wissal Ben Ameur
• Direction : Jean-François Hélard, Philippe Mary
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance le 25/05/2021
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes) - Institut d'Électronique et des Technologies du numéRique / IETR - Orange Labs [Meylan]
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : France Telecom Orange labs (2007-2012)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Cances
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Hélard, Philippe Mary, Jean-Pierre Cances, Laurent Ros, Claire Goursaud, Laurent Clavier, Marion Dumay, Jean Schwoerer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Ros, Claire Goursaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Gestion des ressources radio

Allocation des ressources

Radiofréquences -- Attribution

Systèmes de télécommunications

Télécommunications -- Recherche

Télécommunications -- Équipement

Technologie 5G

Mots clés libres

5G

MMTC

NOMA

Allocation de puissance

Accès aux ressources

5G

MMTC

NOMA

Power allocation

Resource access

Résumé

Les communications massives de type machine (mMTC) sont l'un des trois principaux domaines d’applications des futurs réseaux cellulaires. Les communications mMTC se caractérisent notamment par un nombre massif d'objets à connecter à faible coût, typiquement 1 million d'objets par km2, une transmission sporadique de paquets courts et une faible consommation énergétique des terminaux afin de prolonger leur durée de vie. Les schémas d'accès multiples orthogonaux conventionnels ne répondent pas aux exigences spécifiques des communications mMTC. Le nombre d’utilisateurs communicant simultanément dépend particulièrement de la quantité de ressources disponibles et de la granularité de l'ordonnancement. Cette limite peut être dépassée en renonçant à l'orthogonalité inter-utilisateur. Les mécanismes d'accès multiple non orthogonaux (NOMA) sont considérés comme une solution prometteuse pour relever ces défis des communications mMTC. Ils permettent à plusieurs utilisateurs de partager simultanément et non-orthogonalement la même ressource, ce qui augmente le nombre d'utilisateurs pris en charge. Mais, ils introduisent également de fortes interférences inter-utilisateurs, nécessitant des techniques robustes de détection de signaux avec une complexité de décodage potentiellement élevée. Cette thèse porte sur l’optimisation des schémas NOMA en termes d'implémentation des émetteurs et des récepteurs, de complexité et de performances. Elle aborde également le problème d'accès aux canaux, c'est-à-dire avec ou sans allocation de ressources. Notre objectif est d'assurer un compromis entre les performances souhaitées et la satisfaction des exigences strictes des communications mMTC. Tout d'abord, nous menons une étude qualitative et quantitative des mécanismes NOMA les plus populaires afin de sélectionner les techniques les plus adaptées à notre cas d'étude. Ensuite, nous nous intéressons à l'optimisation des performances des mécanismes sélectionnés en proposant un nouvel algorithme d'allocation de puissance centralisé dans différents scénarios avec différentes combinaisons de contraintes. Enfin, la dernière partie consiste à proposer une nouvelle approche permettant à chaque utilisateur de choisir de manière autonome sa meilleure puissance d'émission assurant un décodage correct de ses paquets en utilisant uniquement les acquittements naturels de la station de base pour une stratégie d'accès sans allocation de ressources. Ce procédé permet d'améliorer les performances avec une signalisation minimale, une faible complexité du système et donc une consommation d'énergie réduite.

Massive machine type communications (mMTC) is one of the expected use cases of the future radio access network. mMTC intends to involve a massive number of lowcost devices, i.e., 1 million devices per km2, with short packet communications, low energy consumption and thereby long battery life. The conventional orthogonal multiple access (OMA) generates a limited inter-user interference, requiring simple multi-user detection techniques with low decoding complexity. However, the maximum number of supported users is limited by the number of available orthogonal resources. Therefore, OMA schemes seem incapable to address the stringent mMTC requirements. In this context, the nonorthogonal multiple access (NOMA) schemes are targeted as a promising solution to meet the mMTC challenges. They allow multiple users to share simultaneously and non-orthogonally the same resource, which increases the capacity of connectivity, but at the cost of higher inter-user interference compared to OMA schemes. As a consequence, robust multi-user detection techniques with potentially high decoding complexity are required for signals separation. This thesis focuses on the study and optimization of the most promising NOMA schemes in terms of implementation of transmitters and receivers, decoding complexity and achieved performance. It also addresses the problem of resource access strategy, i.e., grant-based or grant free access. The main challenge is to ensure a trade-off between the desired performance and the satisfaction of the stringent requirements of mMTC. Firstly, we provide a quantitative and qualitative comparison of the most popular NOMA schemes in order to select the most suitable ones for mMTC. Then, we focus on improving the performance of the selected NOMA schemes while considering a grant-based access strategy. We propose a novel centralized power allocation algorithm in order to deal with the inter-user interference and alleviate the error propagation problem. This algorithm is investigated in different scenarios with different system constraints combinations. After that, we handle the signaling overhead issue and the power decision problem for a grant free access strategy by proposing a novel algorithm allowing each user to select autonomously its adequate power in order to properly decode all users’ packets, with no information about the interfering users and based only on the natural acknowledgment from the base station. This process aims to ensure the best system performance with minimum signaling overhead, low decoding complexity and thus low energy consumption.