Apprentissage automatique pour l'alignement des faisceaux dans les réseaux à onde millimétrique

Machine learning for beam alignment in mmWave networks

• Auteur / Autrice : Irched Chafaa
• Direction : Merouane Debbah, Elena Veronica Belmega
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 07/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Marceau Coupechoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laura Cottatellucci, Mehdi Bennis, Ghaya Rekaya Ben Othman, Walid Saad, Marwa Chafii
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laura Cottatellucci, Mehdi Bennis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de télécommunications

Apprentissage profond

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Ondes millimétriques

Alignement des faisceaux

Bandits manchots

Apprentissage profond non supervisé

Apprentissage fédéré

MmWave

Beam alignment

Multi-Armed bandits

Unsupervised deep learning

Federated learning

Résumé

Pour faire face à la croissance exponentielle du trafic des données mobiles, une solution possible est d'exploiter les larges bandes spectrales disponibles dans la partie millimétrique du spectre électromagnétique. Cependant, le signal transmis est fortement atténué, impliquant une portée de propagation limitée et un faible nombre des trajets de propagation (canal parcimonieux). Par conséquent, des faisceaux directifs doivent être utilisés pour focaliser l'énergie du signal transmis vers son utilisateur et compenser les pertes de propagation. Ces faisceaux ont besoin d'être dirigés convenablement pour garantir la fiabilité du lien de communication. Ceci représente le problème d'alignement des faisceaux pour les systèmes de communication à onde millimétrique. En effet, les faisceaux de l'émetteur et du récepteur doivent être constamment ajustés et alignés pour combattre les conditions de propagation difficiles de la bande millimétrique. De plus, les techniques d'alignement des faisceaux doivent prendre en compte la mobilité des utilisateurs et la dynamique imprévisible du réseau. Ceci mène à un fort coût de signalisation et d'entraînement qui impacte les performances des réseaux. Dans la première partie de cette thèse, nous reformulons le problème d'alignement des faisceaux en utilisant les bandits manchots (ou multi-armed bandits), pertinents dans le cas d'une dynamique du réseau imprévisibles et arbitraire (non-stationnaire ou même antagoniste). Nous proposons des méthodes en ligne et adaptatives pour aligner indépendamment les faisceaux des deux nœuds du lien de communication en utilisant seulement un seul bit de feedback. En se basant sur l'algorithme des poids exponentiels (EXP3) et le caractère parcimonieux du canal à onde millimétrique, nous proposons une version modifiée de l'algorithme original (MEXP3) avec des garanties théoriques en fonction du regret asymptotique. En outre, pour un horizon du temps fini, notre borne supérieure du regret est plus serrée que celle de l'algorithme EXP3, indiquant une meilleure performance en pratique. Nous introduisons également une deuxième modification qui utilise les corrélations temporelles entre des choix successifs des faisceaux dans une nouvelle technique d'alignement des faisceaux (NBT-MEXP3). Dans la deuxième partie de cette thèse, des outils de l'apprentissage profond sont examinés pour choisir des faisceaux dans un lien point d'accès -- utilisateur. Nous exploitons l'apprentissage profond non supervisé pour utiliser l'information des canaux au-dessous de 6 GHz afin de prédire des faisceaux dans la bande millimétrique; cette fonction canal-faisceau complexe est apprise en utilisant des données non-annotés du dataset DeepMIMO. Nous discutons aussi le choix d'une taille optimale pour le réseau de neurones en fonction du nombre des antennes de transmission et de réception au point d'accès. De plus, nous étudions l'impact de la disponibilité des données d'entraînement et introduisons une approche basée sur l'apprentissage fédéré pour prédire des faisceaux dans un réseau à plusieurs liens en partageant uniquement les paramètres des réseaux de neurones entrainés localement (et non pas les données locales). Nous envisageons les méthodes synchrones et asynchrones de l'approche par apprentissage fédéré. Nos résultats numériques montrent le potentiel de notre approche particulièrement au cas où les données d'entrainement sont peu abondantes ou imparfaites (bruitées). Enfin, nous comparons nos méthodes basées sur l'apprentissage profond avec celles de la première partie. Les simulations montrent que le choix d'une méthode convenable pour aligner les faisceaux dépend de la nature de l'application et présente un compromis entre le débit obtenu et la complexité du calcul.

To cope with the ever increasing mobile data traffic, an envisioned solution for future wireless networks is to exploit the large available spectrum in the millimeter wave (mmWave) band. However, communicating at these high frequencies is very challenging as the transmitted signal suffers from strong attenuation, which leads to a limited propagation range and few multipath components (sparse mmWave channels). Hence, highly-directional beams have to be employed to focus the signal energy towards the intended user and compensate all those losses. Such beams need to be steered appropriately to guarantee a reliable communication link. This represents the so called beam alignment problem where the beams of the transmitter and the receiver need to be constantly aligned. Moreover, beam alignment policies need to support devices mobility and the unpredicted dynamics of the network, which result in significant signaling and training overhead affecting the overall performance. In the first part of the thesis, we formulate the beam alignment problem via the adversarial multi-armed bandit framework, which copes with arbitrary network dynamics including non-stationary or adversarial components. We propose online and adaptive beam alignment policies relying only on one-bit feedback to steer the beams of both nodes of the communication link in a distributed manner. Building on the well-known exponential weights algorithm (EXP3) and by exploiting the sparse nature of mmWave channels, we propose a modified policy (MEXP3), which comes with optimal theoretical guarantees in terms of asymptotic regret. Moreover, for finite horizons, our regret upper-bound is tighter than that of the original EXP3 suggesting better performance in practice. We then introduce an additional modification that accounts for the temporal correlation between successive beams and propose another beam alignment policy (NBT-MEXP3). In the second part of the thesis, deep learning tools are investigated to select mmWave beams in an access point -- user link. We leverage unsupervised deep learning to exploit the channel knowledge at sub-6 GHz and predict beamforming vectors in the mmWave band; this complex channel-beam mapping is learned via data issued from the DeepMIMO dataset and lacking the ground truth. We also show how to choose an optimal size of our neural network depending on the number of transmit and receive antennas at the access point. Furthermore, we investigate the impact of training data availability and introduce a federated learning (FL) approach to predict the beams of multiple links by sharing only the parameters of the locally trained neural networks (and not the local data). We investigate both synchronous and asynchronous FL methods. Our numerical simulations show the high potential of our approach, especially when the local available data is scarce or imperfect (noisy). At last, we compare our proposed deep learning methods with reinforcement learning methods derived in the first part. Simulations show that choosing an appropriate beam steering method depends on the target application and is a tradeoff between rate performance and computational complexity.