Hybrid automatic repeat request protocols for user cooperation and relaying scheme for correlated sources
Protocoles de retransmission pour les communications coopératives & schéma de relayage pour des sources corrélées
Résumé
Cooperative communication has recently been introduced as a new method to push forward reliability and capacity of future wireless networks. The basic idea of cooperative communications is that all nodes in a network may help each other to transmit informa- tion to a destination, under constraints on power, complexity or delay. While a single antenna is employed at each node, cooperative communications allow to share several antennas distributed over different nodes in order to benefit from spatial diversity. Nevertheless, it was shown that cooperative communications suffer from throughput degradationdue to the fixed cooperative phase. Therefore, to overcome this drawback, we can use Hybrid automatic repeat request (HARQ), a common technique used to make a wireless link reliable and transmissions more efficient. However, most of these works explore exclusively the case of one source node assisted by one or multiple relay nodes. Only few works extended the idea of cooperative HARQ to the case of user cooperation. In this thesis, we explore cooperative HARQ protocols over the user cooperation system, a configuration that has not been fully explored yet. The considered system consists of two sources which cooperate to communicate statistically independent data to a single destination. Each source can operate in two different modes: transmission mode, by transmitting its own local information, or relaying mode, by helping the partner node to transmit its information. The first part of the thesis is devoted to investigate the impact of employing hybrid automatic repeat request (HARQ) protocols, which send back ACK or NACK to the transmitting nodes, over a turbo coded cooperation scheme. This cooperative scheme is adopted as a starting point since it integrates user cooperation with capacity approaching channel coding, particularly turbo code. Instead of repeating the received information, the source decodes the partner's information and transmits additional parity bits ac- cording to an overall distributed turbo code scheme. We exploit the limited feedback to define three different cooperative HARQ protocols: destination-level HARQ, relay- level HARQ and two-level HARQ. These protocols aim mainly to preserve the overall system throughput by controlling the cooperation phase at the destination node, and to increase diversity by allowing retransmission to the partner node which strengthens the inter-source link.We further analyze the probability of outage of the proposed protocols, characterize their diversity-multiplexing tradeoff and evaluate them according to different parame- ters: channel conditions, transmission rate, and resource allocation. Furthermore, we analyze the improvement of the proposed cooperative HARQ pro- tocols over the original turbo coded cooperation system, as well as over a conventional point-to-point incremental-redundancy HARQ system, in terms of frame error proba- bility and throughput efficiency. Thanks to this analytical study, we define the system retransmission gain and the system cooperation gain, which serve as decision param- eters to determine the geometric conditions under which cooperative HARQ protocols are useful. These proposed protocols fit well for applications such as wireless vehicular networks. In the second part of the thesis, we consider wireless sensor networks, where neigh- boring sensors measure data that is statistically dependent. Source correlation can be exploited at the receiver side. As a third main contribution of the thesis, we derive bounds on the error probability in an uncoded decode-and-forward cooperative system with two correlated information sources and one relay. Furthermore, we demonstrate the performance gain that can be obtained by exploiting the correlation between the sources and we compare these results to a correlation-aware system without relay.
La demande croissante des applications gourmandes en débits et des services de haute fiabilité (streaming vidéo et transfert de données) a considérablement augmenté les défis pour les opérateurs de réseaux de télécommunications. Ces exigences ont été en partie satisfaites par la technologie mûre de communication filaire par fibre optique. Néanmoins, cette solution ne répond pas à une exigence primaire de la clientèle: l'accès continu à l'information. Par conséquent, les communications sans fil restent toujours l'un des sujets les plus étudiés dans le domaine des communications modernes. Néanmoins, le canal sans fil souffre de divers problèmes tels que l'atténuation du signal, les évanouissements et les problèmes d'interférence, qui imposent de grands défis pour assurer une transmission fiable et la gestion d'accès partagé. Bien que la recherche dans ce domaine ait connu des résultats remarquables, des efforts supplémentaires sont encore nécessaires afin de fournir des débits comparables à la moyenne dans le domaine filaire. Par conséquent, le défi pour la communauté de recherche pour les réseaux sans fil est de concevoir des systèes de communication qui assurent une transmission fiable et une efficacité spectrale élevée tout en atténuant les effets d'évanouissements et d'interférence. Les évanouissements peuvent être combattus en utilisant la diversité en temps, fréquence ou espace, en transmettant le signal sur plusieurs canaux qui subissent des évanouissements indépendants. La forme originelle de la communication coopérative est propre aux réseaux de capteurs sans fil et réseaux ad hoc, où les données sont acheminées grace à un routage multisaut. Cependant, dans les réseaux cellulaires, les techniques de coopération constituent une alternative intéressante `a la technique multi-antenne qui offre essentiellement de la diversité spatiale. La coopération entre noeuds d'un système de communication sans fil permet de combattre les évanouissements des canaux et d'améliorer ainsi la diversité globale du système. Entre autres, les techniques de coopération sont apparues afin de répondre à deux objectifs : l'extension de couverture de la cellule ou l'augmentation de la capacité à l'intérieur de la cellule pour les utilisateurs dont le lien radio direct avec la station de base est détérioré. Ces techniques consistent à utiliser des terminaux relais entre un terminal source et un terminal destination. Les relais sont chargés de coopérer avec la source pour transmettre les informations de la source et/ou leurs propres informations jusqu'`a la destination. Un terminal peut donc coopérer avec un ou plusieurs terminaux intermédiaires afin de transmettre ses données à la destination. Ainsi, même si le terminal source possède une seule antenne, la destination reçoit plusieurs versions du signal émis. De surcroît, les protocoles de retransmission (HARQ- Hybrid Automatic Repeat reQuest) sont des techniques couramment utilisées pour accroître la fiabilité du lien radio. Ainsi, les protocoles de coopération peuvent adopter ces techniques HARQ, exploitant les messages de retour en provenance des relais et/ou de la destination. Dans ce contexte, les protocoles de retransmission coopératifs sont considérés comme des technologies particulièrement prometteuses en raison de leur exploitation opportuniste à la fois de la diversité spatiale et des ressources temporelles. Ceci répond à deux objectifs spécifiques : pallier le problème de dégradation de l'efficacité spectrale de tels systèmes où une phase supplémentaire de coopération est toujours présente, et renforcer les liens source-relais et source-destination qui influent considérablement sur les performances. Dans une première partie de la thèse, nous commençons par présenter le concept des communications coopératives de façon générale, ensuite nous décrivons le schéma de coopération de base étudiée : la coopération codée, et nous étudions les protocoles de retransmission HARQ coopératifs appliqués à un couple de sources coopérant pour communiquer avec une même destination. Ces protocoles HARQ coopératifs associent le protocole de retransmission hybride Turbo au niveau de la couche liaison de donn´ees et la coopération turbo codée au niveau de la couche physique. Ainsi, nous proposons trois protocoles HARQ. Un premier, appelé Destination-Level HARQ (DL-HARQ), est proposé afin d'éviter la dégradation de l'efficacité spectrale du système due à une utilisation canal inutile lors de la phase de coopération lorsque l'information est correctement reçue à la destination dès la première phase. Un deuxième protocole HARQ coopératif, appelé Relay-level HARQ (RL-HARQ), est défini dans le but de favoriser la coopération entre les deux sources en améliorant la qualité du lien entre les deux. Enfin, un troisième protocole combinant les deux précédents, nommé Two-Level HARQ (TL-HARQ), est proposé. Cette appellation trouve son origine dans les deux niveaux de décision de la retransmission conditionnés par les messages de retour provenant de la destination et ensuite ceux du partenaire. Deuxièmement, nous explorons un autre domaine d'application de la communication coopérative. Nous considérons des réseaux de capteurs où les données provenant de capteurs voisins géographiquement sont statistiquement dépendantes. Cette corrélation entre sources peut être exploitée à l'émetteur et du côté du récepteur, à travers des techniques de codage conjoint source-canal, pour améliorer les performances. L'objectif est donc double: premièrement, exploiter la corrélation entre sources pour permettre des communications fiables, deuxièmement, permettre des économies d'énergie importantes pour la transmission de données par l'utilisation de la compression des données. Dans cette thèse, nous analysons les performances d'un système de communication coopératif en exploitant la corrélation entre sources du côté du récepteur. Nous montrons que la prise en compte de la corrélation `a la fois au niveau du relais et de la destination entraîne des gains de performance significatifs. Cette thèse est organisée dans l'ordre classique, où les concepts de bases sont présentés dans le deuxième chapitre et les nouvelles contributions dans les chapitres suivants. En guise d'introduction aux thèmes étudiés dans cette thèse, nous présentons dans le chapitre 2, le modèle général du canal radio, quelques notions de base sur la théorie de l'information ainsi que les systèmes de contrôle d'erreur, qui sont nécessaires pour les prochains chapitres. Tout d'abord, nous présentons les propriétés du canal sans fil qui guideront les décisions de conception des systèmes de communication proposés. Ensuite, nous présentons un aperçu sur les codes correcteurs d'erreurs et les protocoles de retransmission ainsi que les outils utilisés pour analyser leur comportement. Le chapitre est terminé par une discussion brève des techniques de transmission multi-sources. Le problème de corrélation entre sources est également abordé afin de suggérer une extension dans un contexte coopératif. Dans le chapitre 3, nous résumons les concepts de base des communications coopératives. En particulier, nous commençons par réviser les principaux résultats du canal à relais et nous adressons le schéma de codage turbo distribué pour un canal à relais. De plus, nous donnons une brève description des protocoles HARQ coopératifs proposées dans la littérature. Par la suite, le schéma de coopération codée et en particulier le schéma de coopération turbo codée, utilisée comme point de départ pour concevoir les protocoles HARQ proposés, sont détaillés. Suite à cet aperçu de l'état de l'art, la première contribution de cette thèse est donnée à la fin de ce chapitre.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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