Une approche théorique de l'information pour la détection et la communication

An Information-theoretic approach to integrated sensing and communication

• Auteur / Autrice : Mehrasa Ahmadipour
• Direction : Michèle Wigger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, Information et Communications
• Date : Soutenance le 10/11/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau ; 1977-....)
• Jury : Président / Présidente : Aslan Tchamkerten
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aslan Tchamkerten, Tobias Oechtering, Shlomo Shamai, Giuseppe Caire, Meryem Benammar, Malcolm Egan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tobias Oechtering

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Théorie de l’information

ISAC

JSCC

Communication

Détection

Réseau multi-terminal

Information theory

ISAC

JSCC

Communication

Sensing

Multi-terminal network

Résumé

Les réseaux sans fil de la prochaine génération devraient prendre en charge les techniques de détection. Des exemples importants sont les systèmes de transport intelligents, où les véhicules détectent en permanence les changements environnementaux et échangent des informations avec les véhicules ou les serveurs centraux. Il existe des solutions naïves pour réaliser ces deux tâches, qui proposent de partager les ressources entre les deux. Cependant, les coûts élevés de spectre et de matériel de ces approches encouragent l’intégration des tâches de détection et de communication (ISAC) via une seule forme d’onde et une seule plateforme matérielle. Cette thèse se concentre sur l’ISAC théorique de l’information. Nous examinons le premier modèle informationnel théorique pour ISAC dans [1] où un canal sans mémoire dépendant de l’état (SDMC) avec des signaux de rétroaction généralisés est observé au niveau de l’émetteur (Tx). Notre première contribution est de caractériser le compromis fondamental entre les taux de communication et la distorsion de détection des canaux de diffusion (BC) dépendants de l’état, mono-Tx et bi-Rx, qui sont physiquement dégradés. Nous fournissons également des limites intérieures et extérieures sur les compromis taux-distorsion réalisables pour les canaux de diffusion généraux. La stratégie optimale de détection des Tx uniques est un simple estimateur symbole par symbole et l’optimalité de cet estimateur découle du fait que les canaux de rétroaction généralisés et la séquence d’état sont tous deux sans mémoire. Ce n’est pas nécessairement le cas dans les configurations avec plus d’une Tx. Plus précisément, pour le MAC, nous proposons une détection collaborative où chaque Tx compresse d’abord les sorties et les entrées obtenues pour extraire les informations d’état, puis transmet l’indice de compression à l’aide d’un code de canal pur aux autres Tx. Nous décrivons également deux schémas ISAC collaboratifs pour D2D, basés sur la séparation source-canal/le schéma de canal bidirectionnel de Han et basés sur le codage conjoint source-canal (JSCC). Dans le scénario MAC et D2D, nos schémas ISAC sont strictement concaves dans les paires taux-distorsion et améliorent donc également les stratégies classiques de partage du temps ou des ressources.

Next-generation wireless networks are expected to support sensing techniques. Important examples are intelligent transport systems, where vehicles continuously sense environmental changes and exchange information with vehicles or central servers. There are some naive solutions to do both tasks which propose to share the resources between the two. But, the high spectrum and hardware costs of these approaches encourage to integrate the sensing and communication (ISAC) tasks via a single waveform and a single hardware platform. This thesis focuses on information-theoretic ISAC. We review the first information-theoretic model for ISAC in [1] where a statedependent memoryless channel (SDMC) with generalized feedback signals observed at the transmitter (Tx). Our first contribution is to characterize the fundamental tradeoff between communication rates and sensing distortion of statedependent single-Tx two-Rx broadcast channels (BC) that are physically degraded. We also provide inner and outer bounds on the achievable rate-distortion tradeoffs for general BCs. The single-Txs’ optimal sensing strategy is a simple symbol-by-symbol estimator and the optimality of this estimator stems from the fact that the generalized feedback channels and the state-sequence both are memoryless. This is not necessarily the case in setups with more than one Tx. Specifically, for the MAC, we propose collaborative sensing where each Tx first compresses the obtained outputs and inputs to extract state information, then transmits the compression index using a pure channel code to the other Tx. Also, we describe two collaborative ISAC schemes for D2D, based on source-channel separation/Han’s two-way channel scheme and based on joint source-channel coding (JSCC). In both the MAC and the D2D scenario, our ISAC schemes are strictly concave in the rate-distortion pairs and thus also improve over classical time- or resource-sharing strategies.