Allocation des ressources dans les réseaux cellulaires basée sur NOMA

Resource Allocation in NOMA-based cellular networks

• Auteur / Autrice : Asmaa Amer
• Direction : Jalel Ben othman
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des réseaux, de l'information et de la communication
• Date : Soutenance en 2024
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Télécoms et Réseaux
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chadi Assi, Marco Di renzo, Karine Deschinkel, Selma Boumerdassi, Pascal Lorenz, Shenghui Song
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Lorenz, Shenghui Song

Mots clés

Mots clés libres

Noma

5G and beyond

Allocation des ressources

Noma

5G and beyond

Resource allocation

Résumé

Cette thèse vise à optimiser l'allocation des ressources au sein des systèmes NOMA, en particulier les systèmes NOMA coopératifs en liaison descendante, dans des configurations de stations de base à antenne unique et à antennes multiples. L'objectif est de maximiser l'efficacité spectrale et énergétique, tout en proposant des schémas NOMA plus efficaces qui peuvent tirer parti des avantages prouvés du NOMA et répondre aux limitations des schémas actuellement considérés en termes de consommation d'énergie et de complexité des récepteurs. Dans la première contribution, un système NOMA coopératif basé sur le découpage du réseau est étudié pour accueillir à la fois des utilisateurs cellulaires et des paires de dispositifs à dispositifs (D2D) répondant aux exigences de communication mobile large bande améliorée (eMBB) et de communication ultra fiable à faible latence (URLLC). Le problème d'optimisation est formulé comme une maximisation du débit total avec trois variables d'optimisation : le regroupement des utilisateurs NOMA, l'admission sous-jacente des D2D et l'allocation des blocs de ressources. Le problème est décomposé en trois sous-problèmes. Une solution algorithmique séquentielle est proposée, commençant par le regroupement des utilisateurs, suivie de l'allocation des blocs de ressources, et enfin de l'admission des D2D. Les sous-problèmes de regroupement des utilisateurs et d'admission des D2D sont résolus à l'aide d'une solution de théorie de correspondance de type plusieurs-à-un à faible complexité. Le problème d'allocation des blocs de ressources est résolu par une approche heuristique. Dans la deuxième contribution, nous revisitons le compromis entre l'accès des utilisateurs et la complexité de l'annulation d'interférence successive (SIC) des récepteurs NOMA. À mesure que davantage d'utilisateurs partagent les mêmes ressources, l'interférence et la complexité de la SIC augmentent. Contrairement aux schémas NOMA conventionnels basés sur des paires, nous proposons un schéma NOMA coopératif chevauchant, où chaque utilisateur en bord de cellule peut partager des ressources avec plusieurs utilisateurs au centre de la cellule, même si les utilisateurs au centre de la cellule utilisent des ressources orthogonales entre eux. Cette approche améliore la connectivité des utilisateurs, renforce les performances des utilisateurs en bord de cellule et maintient une faible complexité de SIC. Le problème est formulé comme une maximisation de la satisfaction des Qualité de Service (QoS) des utilisateurs en bord de cellule et est résolu à l'aide d'un algorithme de théorie de correspondance de type plusieurs-à-plusieurs avec des stratégies d'échange et d'ajout/suppression. Dans la troisième contribution de la thèse, nous proposons un système hybride d'accès multiple par division spatiale (SDMA)/NOMA, pour s'adapter entre les utilisateurs accédant par NOMA et SDMA en fonction de leur consommation d'énergie. Dans le modèle de consommation d'énergie, contrairement à la littérature NOMA où la puissance est induite par les unités SIC au niveau du récepteur est négligée, nous introduisons un modèle de consommation d'énergie dynamique basé sur la puissance SIC. Le problème est formulé comme une maximisation de l'efficacité énergétique en optimisant la sélection du mode d'accès multiple, le beamforming de la station de base et l'allocation de puissance des utilisateurs. Cette approche empêche une surestimation de l'efficacité énergétique, entraînant une réduction de l'écart entre l'analyse théorique et la conception du système, ce qui est particulièrement critique pour les dispositifs NOMA contraints par l'énergie.

This thesis aims to optimize resources allocation within NOMA systems, particularly downlink cooperative NOMA systems, within single-antenna and multiple antenna base station (BS) configurations. This aims to maximize spectral and energy efficiency, and propose more efficient NOMA schemes that can reap proven benefits of NOMA and address the limitations of currently considered schemes in terms of power consumption and receiver complexity. In the first contribution, a network-slicing-based cooperative NOMA based system is investigated to accommodate both cellular users and device-to-device (D2D) pairs with enhanced mobile broadband (eMBB) and Ultra reliable low latency communication (URLLC) services requirements. The optimization problem is formulated as sum-throughput maximization with three optimization variables: NOMA-users clustering, underlying D2D- admission, and resource blocks (RBs) allocation. The problem is decoupled into three sub-problems. A sequential algorithmic solution is proposed, starting by users clustering, followed by RBs allocation, and finally D2D admission. The users clustering and D2D admission sub-problems are solved using low-complexity many-to-one matching theory solution. The RBs allocation problem is solved using heuristics approach. In the second contribution, we revisit the trade-off between user access and the successive interference complexity (SIC) complexity of NOMA receivers. As more users share the same resources, interference and SIC complexity escalate. Unlike conventional pairing-based NOMA schemes, we propose an overlapping cooperative NOMA scheme where each cell-edge user can share resources with multiple cell-center users, even if cell-center users are using orthogonal resources between each other. This approach enhances user connectivity, improves cell-edge user performance, and maintains low SIC complexity. The problem is formulated as maximization of Quality-of-Service (QoS) satisfaction of cell-edge users, and solved using a many-to-many matching theory algorithm with swapping and add/remove strategies. In the third thesis contribution, we propose a hybrid Space Division Multiple Access (SDMA)/NOMA system, to adapt between users accessing through NOMA and SDMA based on theiir power consumption. In the power consumption model, unlike NOMA literature where power induced by SIC units at the receiver is overlooked, we introduce dynamic power consumption model based on the SIC power. The problem is formulated as maximizing energy efficiency by optimizing the multiple access mode selection, BS beamforming, and user power allocation. This approach prevents overestimation of energy efficiency, resulting in a reduced gap between theoretical analysis and system design, particularly critical for energy-constrained NOMA devices.