Les systèmes de communication modernes, comme le Long Term Evolution (LTE) [6], exigent des taux élevés de données et une meilleure qualité de service (QoS) de contrôle pour les services tels que la téléphonie vocale, les jeux en ligne, la navigation Web, etc. A fin de faire face aux exigences de ces nouveaux types de services tout en offrant simultanément des débits élevés, les normes doivent évoluer et s’adapter. Tant les défis de la couche physique (PHY) et les exigences de qualité de service des applications doivent être pris en compte. Les futurs réseaux de communication sans fils requièrent une optimisation des paramètres dans toutes les couches. Dans une con- ception inter-couches, le taux, la puissance et le codage à la PHY peuvent être adaptés pour répondre aux exigences des applications, compte tenu des conditions de canal(voir la figure A.1)
Figure A.1: Techniques Cross-Layer.
En élaborant des politiques qui combinent l’atténuation des interférences sur la couche PHY avec des algorithmes d’ordonnancement et de l’adaptation du taux de la couche Medium Access Control (MAC), et en outre la gestion des ressources radio à la couche de contrôle de liaison radio (RLC), nous pouvons obtenir un débit plus élevé, plus la bande passante et donc des réseaux plus efficaces. Dans le cadre de l’évolution de quatrième génération (4G) des systèmes, la mise en place de cellules de petite taille qui recouvrent le réseau cellulaire existant a été envisagée pour remplir les taches blanches de couverture ou servir les utilisateurs mobiles et de plein air où le réseau cellulaire n’est pas déployée. Cependant, comme ces petites cellules ne peu- vent pas être connectés au réseau opérateur de raccordement, la coordination entre eux pour la gestion des ressources est difficilement réalisable (voir la
figure A.2).
Figure A.2: Femtocells sont un exemple de déploiements avec cellules de petite taille [4].
L’objectif de cette thèse est de concevoir, implémenter et évaluer les al- gorithmes cross-layer pratiques. Nous nous concentrons sur la technologie LTE et les réseaux non coordonnés post-LTE où l’interférence est un en- jeu majeur compte tenu des nouvelles tendances du trafic. L’objectif est d’allouer les ressources radio d’une manière efficace. Nous développons des modèles d’interférence mathématiques et informatiques qui nous permettent comprendre le comportement de ces réseaux et nous appliquons une approche basée sur la théorie de l’information à différents scénarios d’interférence et caractéristiques du trafic. Nous avons essayé de s’approcher le plus possible de systèmes réels pour être en mesure de tester la faisabilité des techniques proposées. Finalement, nous effectuons une étude de simulation complet qui termine par la implémentation et l’évaluation des techniques proposées dans la plate-forme de OpenAirInterface (OAI) [3].
A.2.1 Contributions et cadre de cette thèse
Le principal obstacle trouvée dans les réseaux de communication sans fils est le caractère variable dans le temps du canal physique. Compte tenu de cela, l’objectif d’un concepteur de système est de rendre le PHY/MAC intelligents pour simplifier la conception globale du réseau et optimiser les performances. Dans nos stratégies, nous avons essayé de prendre en compte les scénarios et les paramètres qui les rendent applicables aux systèmes pratiques.
Afin de mieux comprendre la pertinence de notre étude, nous commençons au chapitre 2 en décrivant l’évolution des réseaux de communication sans fils, ainsi que les nouveaux scénarios avec interférence résultant de cette évolu- tion. Nous expliquons alors les fondements de réseaux LTE et interférence et nous décrivons également les bases de la programmation et de l’adaptation de liaison LTE.
interférence dans les réseaux 4G, en particulier celles qui découlent de dé- ploiements de femtocells. Dans ce chapitre , nous analysons le débit du réseau à l’aide d’un temps discret chaîne de Markov non homogène et quantités de théorie de l’information de base. Nous considérons un ou deux brouilleurs dominantes et nous étudions un système d’atténuation d’interférence décen- tralisée qui combine Répétez hybride automatique et demande ( HARQ ) et redondance incrémental (IR) avec un décodeur d’annulation d’interférence. Pour fins de comparaison , nous étudions également un système ARQ où l’information n’est pas accumulée sur tours de transmission . Notre évalua- tion de la performance basée sur la modélisation analytique et l’évaluation de Monte Carlo de débit montre que notre système est efficace à la lutte contre l’interférence sans nécessiter de coordination . Les résultats ont été publiés dans
• Villa, Tania; Merz, Ruben; Knopp, Raymond, “Interference man- agement in femtocell networks with Hybrid-ARQ and inter- ference cancellation”, in the proceedings of IEEE Asilomar Con- ference on Signals, Systems, and Computers, November 2011, Pacific Grove, CA, USA.
Le quatrième chapitre commence par décrire quelques applications émer- gentes où notre analyse de l’information théorie peut être appliquée. Ce chapitre est essentiel pour la compréhension de l’importance des systèmes de répartition des ressources dynamiques LTE. Contrairement à un tra- vail précédent, nous considérons l’allocation des ressources physiques ne sont pas fixées dans les transmissions HARQ. Ce dernier est une possibilité réelle dans ordonnanceurs pour les stations de base LTE (eNodeB ou ENB) et, au meilleur de notre connaissance, existe aucune méthode connue pour l’adaptation des ressources physiques sur tours HARQ lorsqu’il est soumis à des canaux variant dans le temps, soit à cause de la décoloration ou variant dans le temps des interférences ou une combinaison des deux. En faisant cela, nous exploitons les atténuation des effets d’interférence de HARQ utilisant non seulement de récupérer des erreurs mais pour annulation d’interférence et nous proposons des algorithmes d’allocation des ressources efficaces pour augmenter le débit, qui pourrait venir très proche de la performance opti- male.
Nous présentons d’abord une analyse des réseaux sans interférence avec les chaînes de variables dans le temps. Plutôt que d’effectuer des simulations, nous adoptons une approche théorique de l’information pour obtenir des ex- pressions analytiques qui représentent le débit à long terme d’une liaison point-à-point et d’envisager des cas pratiques où il ya une contrainte sur la probabilité d’interruption représentant la latence du protocole. Nous consid- érons les signaux d’entrée de Gauss et nous considérons le cas où l’indicateur
de qualité de canal (CQI) rétroaction est indisponible, ou pas à jour. Le quatrième chapitre examine ensuite le cas des réseaux d’interférences. Nous motivons l’utilisation de l’allocation des ressources inter-retour à travers une analyse simple mais illustratif avec des signaux de Gauss et les inter- férences. Nous incluons l’utilisation des facteurs d’activité qui modèle des figures d’interférence sporadiques caractéristique de futurs déploiements de réseaux hétérogènes, en particulier l’ingérence vu des stations de base à cel- lules de petite taille avec du trafic en rafales dans le récepteur d’un utilisateur macrocellulaire.
Enfin, nous examinons les scénarios d’interférence pratiques pour illus- trer les applications de notre cadre d’analyse. Nous modélisons une topologie Manhattan comme ce qui représente un bloc d’appartements avec femtocells créer des interférences. Nous modélisons alors un scénario macro-femto où une macro-cellule est recouverte par une femtocell et nous regardons la liaison descendante (DL) canal de l’utilisateur macrocellulaire lorsque l’interférence provient de la femtocell. Avec l’utilisation d’un facteur d’activité, nous mod- élisons le fait que la femtocell n’est pas active en permanence. Enfin, nous ex- pliquons la procédure à suivre pour effectuer PHY abstraction de l’utilisation de notre cadre d’analyse, étant donné l’importance de modéliser avec préci- sion les performances de liaison afin d’accélérer les simulations. Les résultats ont été publiés dans
• Villa, Tania; Merz, Ruben; Knopp, Raymond, “Adaptive modu- lation and coding with Hybrid-ARQ for latency-constrained networks”, in the proceedings of IEEE European Wireless Conference (EW2012), April 2012, Poznan, Poland.
• Villa, Tania; Merz, Ruben; Knopp, Raymond, “Adaptive transmis- sion and mutiple-access for sparse-traffic sources”, in the pro- ceedings of IEEE European Signal Processing Conference (EUSIPCO), August 2012, Bucharest Romania.
• Villa, Tania; Knopp, Raymond; Merz, Ruben, “Dynamic resource allocation in heterogeneous networks”, in the proceedings of IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), December 2013, Atlanta, USA.
et a été accepté pour publication dans
• Villa, Tania; Knopp, Raymond; Merz, Ruben, “Dynamic resource allocation for time-varying channels in next generation cellu- lar networks, Part I: a mathematical framework”, submitted to IEEE Transactions on wireless communications
et sera présenté comme une partie de
• Villa, Tania; Knopp, Raymond; Merz, Ruben, “Dynamic resource allocation for time-varying channels in next generation cellu- lar networks, Part II: applications in LTE”, under preparation. Le chapitre 5 traite avec la conception de planificateur pratique pour les stations de base LTE . LTE offre une grande flexibilité en termes d’allocation des ressources et, en particulier, les algorithmes d’allocation de ressources peut être adapté pour une classe particulière de trafic à des exigences spé- cifiques. Néanmoins, les travaux sont encore nécessaires pour exploiter effi- cacement cette flexibilité pour les applications émergentes. Dans ce chapitre, nous étudions les performances de nos politiques d’allocation de ressources dynamique pour la programmation des transmissions IR-HARQ sous les con- traintes de la LTE code-modulation. Dans ce chapitre, nous montrons les résultats de la implémentation de l’ordonnanceur dans le logiciel défini OAI radio ( SDR ) plate-forme [3] afin de tester les performances et la conformité de nos stratégies d’allocation de ressources dans le LTE. Nous montrons que la implémentation de ces politiques dans un système réel est possible sans une coordination ou complexe et fastidieux processus d’optimisation. Nous montrons que nos techniques d’ordonnancement travaillent pour différents environnements et surtout, nous montrent que les résultats sont en accord avec les résultats théoriques présentés dans le chapitre 4. Les résultats seront présentés comme une partie de
• Villa, Tania; Knopp, Raymond; Merz, Ruben, “Dynamic resource allocation for time-varying channels in next generation cellu- lar networks, Part II: applications in LTE”, under preparation.