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HAL Id: tel-02056512 https://theses.hal.science/tel-02056512 Submitted on 4 Mar 2019 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Resource allocation techniques for non-orthogonal multiple access systems Marie Rita Hojeij To cite this version: Marie Rita Hojeij. Resource allocation techniques for non-orthogonal multiple access systems. Net- working and Internet Architecture [cs.NI]. Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique, 2018. English. NNT : 2018IMTA0085. tel-02056512 THESE DE DOCTORAT DE L’ÉCOLE NATIONALE SUPERIEURE MINES-TELECOM ATLANTIQUE BRETAGNE PAYS DE LA LOIRE - IMT ATLANTIQUE COMUE UNIVERSITE BRETAGNE LOIRE ECOLE DOCTORALE N° 601 Mathématiques et Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication Spécialité : Télécommunications « Resource allocation techniques for non-orthogonal multiple access systems » Thèse présentée et soutenue à IMT Atlantique, le 30 mai 2018 Unité de recherche : Lab-STICC Thèse N° : 2018IMTA0085 Par Marie-Rita Hojeij Rapporteurs avant soutenance : Didier LE RUYET Professeur, Conservatoire National des Arts et Métiers - Paris Georges KADDOUM Professeur, Ecole de Technologie Supérieure - Canada Composition du Jury : Président : Didier LE RUYET Professeur, Conservatoire National des Arts et Métiers - Paris Examinateurs : Georges KADDOUM Professeur, Ecole de Technologie Supérieure - Canada Mathieu CRUSSIERE Maître de conférences (HDR), Insa-Rennes Charbel ABDEL NOUR Maître de conférences, IMT Atlantique Directeur de thèse : Catherine DOUILLARD Professeur, IMT Atlantique Co-directeur de thèse : Joumana FARAH Professeur, Université Libanaise R - 1 Techniques d'allocation de ressources pour les systèmes à accès multiple non orthogonal Résumé en français Avec l’émergence rapide des applications Internet, il est prévu que le trafic mobile mondial augmente de huit fois entre fin 2018 et 2022. En même temps, les futurs systèmes de communication se devront aussi d’améliorer l'efficacité spectrale des transmissions, le temps de latence et l’équité entre utilisateurs. À cette fin, une technique d’accès multiple non orthogonal (NOMA) a été récemment proposée comme un candidat prometteur pour les futurs accès radio. La technique NOMA est basée sur un nouveau domaine de multiplexage, le domaine des puissances. Elle permet la cohabitation de deux ou plusieurs utilisateurs par sous-porteuse ou sous-bande de fréquence. Cette thèse aborde plusieurs problèmes liés à l’allocation de ressources basée sur NOMA afin d'améliorer les performances du réseau en termes d'efficacité spectrale, de débit et/ou d’équité entre utilisateurs. Dans ce sens, des solutions théoriques et algorithmiques sont proposées et des résultats numériques sont obtenus afin de valider les solutions et de vérifier la capacité des algorithmes proposés à atteindre des performances optimales ou sous- optimales. Une étude bibliographique des différentes techniques d’allocation de ressources est présentée dans le premier chapitre. L’allocation de ressources pour le cas orthogonal et pour le cas non- orthogonal a été traitée. Nous avons tout d’abord présenté l’état de l’art des techniques d’allocation de ressources dans les réseaux LTE (long term evolution) et LTE-Advanced. Deux méthodes d’accès multiples orthogonaux, OFDMA (orthogonal frequency-division multiple access) et SC- FDMA (single-carrier frequency division multiple access), ont été examinées car elles exploitent la granularité de fréquence flexible, répondent aux diverses exigences de qualité de service (QoS) des utilisateurs et atteignent une efficacité spectrale élevée. Les techniques OFDMA et SC-FDMA sont utilisées, respectivement, pour la transmission en liaison descendante et en liaison montante. L’OFDMA est robuste à la présence d’évanouissements dus aux trajets multiples et est résistant aux évanouissements sélectifs en fréquence. SC- FDMA a des performances similaires à OFDMA, mais avec un ratio entre la puissance moyenne et la puissance maximale (PAPR) inférieur, et diffère également de OFDMA de par R - 2 le fait que, dans SC-FDMA, les symboles d’information sont transmis séquentiellement plutôt qu'en parallèle à l’aide de sous-porteuses orthogonales. Ce mécanisme offre un PAPR inférieur en réduisant les fluctuations d'enveloppe de la forme d'onde du signal transmis, ce qui rend le SC-FDMA mieux adapté à la transmission sur la liaison montante, en particulier pour les équipements à faible coût dont la puissance est limitée. Dans la suite de ce chapitre, plusieurs techniques d’accès multiple non orthogonales ont été examinées afin de répondre aux exigences strictes de la 5G, telles que la technique sparse code multiple access (SCMA) qui est considérée comme une forme à porteuses multiples de NOMA, la technique multiuser superposition transmission (MUST) pour LTE qui examine la transmission non orthogonale des utilisateurs et la proposition de récepteurs avancés, ainsi que la méthode NOMA conçue pour le domaine de puissance, qui constitue le point d’intérêt principal de notre mémoire. NOMA est basée sur un codage par superposition (elle superpose plusieurs signaux des équipements utilisateurs ou UE) du côté émetteur et sur une méthode d’annulation d'interférence successive (SIC) qui permet la séparation et le décodage des signaux multi-utilisateurs du côté récepteur. NOMA permet à plusieurs utilisateurs de partager la même sous-bande tout en fournissant à chaque utilisateur une quantité appropriée de puissance. Pour mieux comprendre le principe de NOMA, une description détaillée de son concept, comprenant le multiplexage d’utilisateurs au niveau de l'émetteur de la station de base (BS) et la séparation des signaux au niveau du récepteur a été élaborée dans le premier chapitre. Ensuite, l’allocation de ressources dans les réseaux cellulaires à liaison descendante a été détaillée, car c’est le point d’intéret de notre étude. L'allocation de ressources est considérée comme une solution à l’optimisation des ressources limitées, en fréquence, puissance et temps, afin d'obtenir les performances souhaitées tout en tenant compte de contraintes réalistes. Et comme le problème d’allocation de ressources radio consiste à optimiser une fonction d’utilité tout en prenant en compte un ensemble de contraintes, nous avons présenté dans le chapitre 1 plusieurs fonctions d’utilité classiques, y compris celles utilisées dans la thèse. Les fonctions d’utilité présentées sont la maximisation du débit, la probabilité de succès, la somme des débits pondérés et l'équité, ainsi que le nombre minimal de sous-bandes attribuées. L’optimisation des ressources radio pour un système OFDM et un système NOMA a également été abordée dans le premier chapitre afin de donner un aperçu des techniques d’allocation de puissance existantes dans la littérature afin de proposer de nouvelles techniques adaptatives dans les autres chapitres. L’ordonnanceur à équité proportionnelle, dit scheduler PF, a été détaillé puisqu'il est le plus couramment utilisé dans la majorité des travaux qui traitent de NOMA. Le PF est connu pour offrir un bon compromis R - 3 entre la maximization du débit et de l'équité. L'allocation de puissance a également été abordée dans le chapitre 1, et nous avons mis l'accent sur le principe de waterfilling, étant donné qu'il sera utilisé dans nos propositions des chapitres suivants. Dans le deuxième chapitre, un nouveau principe de traitement de la bande passante et de l'allocation de puissance dans le cadre d'un scénario d'accès multiple non orthogonal a été introduit. Il vise à minimiser l'utilisation du spectre tout en satisfaisant les utilisateurs quant aux débits demandés. Dans ce sens et pour cette approche proposée, plusieurs problèmes de conception ont fait l’objet d’une analyse approfondie. La sélection de l'utilisateur est le premier problème de conception abordé dans ce chapitre. La sélection est effectuée en accordant une priorité plus élevée aux utilisateurs dont le débit est eloigné de leur débit cible. Après cela, nous avons discuté l’allocation des sous-bandes et le couplage des utilisateurs. Le choix du couplage des utilisateurs est l’un des problèmes de conception les plus critiques que nous avons abordés dans ce chapitre car les performances de NOMA sont très sensibles aux gains de canal des utilisateurs choisis pour être placés ensemble sur la même sous-bande. Deux options de couplage ont été étudiées et celle qui choisit les utilisateurs avec la différence de gain de canal la plus élevée s'est avérée mieux adapté à NOMA. L'allocation de puissance est un autre problème de conception traité dans le deuxième chapitre. Une allocation de puissance statique entre sous-bandes a été d’abord considérée, pour laquelle la puissance est également répartie entre les sous-bandes. Cependant, le débit pouvant ainsi être obtenu est pénalisé du fait que le principe du waterfilling n’est pas appliqué. Pour cette raison, une allocation optimale de puissance entre les sous-bandes basée sur le waterfilling et prenant en compte les gains de canal des deux utilisateurs appariés au sein de chaque sous- bande a été proposée. De plus, plusieurs stratégies de pondération dans l’optimisation de la somme des débits ont également été développées. Ces propositions optimales effectuent une allocation de puissance conjointe inter et intra-sous-bande qui prend en compte les gains de canal de tous les utilisateurs couplés et se révèle être relativement complexe à mettre en œuvre. Par conséquent, une solution sous-optimale, où la puissance est attribuée à des utilisateurs en deux étapes consécutives, constituées de l’allocation inter-sous-bande puis intra-sous-bande de puissance, a été proposée. Dans la première uploads/Management/ 2018imta0085-hojeij-marierita.pdf