Conception de protocoles DDF pour le déploiement de relais auto-configurables

par Mélanie Plainchault

Thèse de doctorat en Electronique et Communications

Sous la direction de Ghaya Rekaya Ben Othman et de Nicolas Gresset.

Le président du jury était Mérouane Debbah.

Le jury était composé de Jean-Claude Belfiore, Ahmed Saadani.

Les rapporteurs étaient Joseph Boutros, David Gesbert.


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous avons proposé et étudié une implémentation pratique du protocole DDF pour des relais auto-configurables au niveaux lien et système. Cette implémentation pratique, basée sur du codage correcteur d'erreur et une segmentation de la trame émise (comme pour les mécanismes d'HARQ), est combinée avec différents schémas de relayage tels que le Monostream, l'Alamouti Distribué ou encore les Rotations Distribuées.Nous avons montré que ces trois schémas atteignent les mêmes ordres de macro et micro diversité. L'ordre de micro diversité se réfère au gain qui peut être acquis via les coefficients d'évanouissement court-terme. Nous avons défini l'ordre de macro diversité comme le nombre de sources desquelles toute l'information peut être entièrement décodée sans l'aide des autres sources. De plus, nous avons prouvé que les trois schémas de relayage permettent d'atteindre de meilleures performances que le cas sans relais, leurs performances ne diffèrent qu'en terme de gain de codage: le DA DDF a de meilleure performance que le DR DDF, qui lui-même à de meilleures performances que le Monostream DDF. Cependant, les évaluations système ont montré que ce gain de codage n'est pas significatif au niveau système. Cela montre que la métrique pertinente à optimiser pour améliorer les performances est l'ordre de macro diversité atteignable par le protocole; c'est à dire que le gain le plus important apporté par le relayage est un gain de rapport signal à bruit long-terme. Nous avons donc proposé la technique de Patching pour augmenter l'ordre de macro diversité atteignable par une transmission. Cette technique vise à augmenter le nombre de bits transmis par le relais jusqu'au nombre de bits d'information contenus dans le message. Quand cette technique de Patching est combinée aux codes spatio-temporels, elle permet d'améliorer à la fois l'ordre de macro diversité et l'ordre de micro diversité. Cette technique de Patching a aussi été utilisée sur le canal à interférence et relais pour lequel nous avons introduit l'usage d'un protocole DDF précodé par un relais partagé par plusieurs paires source/destination. Dans ce cas, le Patching a pour but d'améliorer les performances par rapport au cas avec précodeur uniquement, et ce en maximisant le nombre de symboles précodés par relais. Les gains résultants de ces nombreuses variations de notre implémentation pratique du protocole DDF sont finalement décrits au niveau système pour un déploiement macro-cellulaire en zone urbaine, et pour un déploiement indoor, en considérant deux applications : une transmission unicast, par exemple du téléchargement sur internet, ou encore de la diffusion, de la télévision par exemple. Les résultats montrent que le Monostream DDF permet d'atteindre de bonnes performances tout en garantissant que la source et la destination n'ont pas conscience de la présence du relais dans le système. Par conséquent, ce protocole est un candidat intéressant pour le déploiement massif de relais auto-configurables dans les réseaux sans fil.

  • Titre traduit

    Design of DDF protocols for plug-and-play relays


  • Résumé

    Relaying has been proposed as an efficient solution to increase transmission reliability by providing spatial diversity, and to increase transmission efficiency. Among the wide variety of existing relaying protocols proposed for the relay channel, we are interested in the Dynamic Decode and Forward (DDF) protocol as it outperforms all previously defined forwarding strategies in terms of Diversity Multiplexing Tradeoff. When using the DDF protocol, the relay assits the transmission only if it correctly decodes the sent message before the destination. We propose a practical implementation of this DDF protocol based on channel coding for hybrid automatic repeat request.Then, we define and study two relaying schemes for the relay channel that can be used when the source is relay-unaware: the Monostream scheme and the Distributed Alamouti scheme. The performance of these proposed relaying schemes for the DDF protocol are derived for open-loop and closed-loop transmissions. After defining the macro diversity order achieved by a transmission, we derived upper bounds on the achievable macro and micro diversity orders of these DDF protocols when the transmitting nodes use finite symbol alphabet. We proposed a so-called Patching technique in order to increase this achievable macro diversity order still guaranteeing that the source is relay-unaware. This Patching technique aims at increasing the number of bits transmitted by the relay up to the number of information bits in the message. This technique is also combined with Space Time Block Codes in order to improve both the achievable macro and micro diversity orders. This Patching technique has also been applied over the Interference Relay Channel where we introduce the use of a precoded DDF protocol at a relay shared by several source/destination pairs. We use the Patching technique in order to increase the achieved performance. The gain resulting from the use of these various derivations of the DDF protocol are finally observed at the system level for two scenarios: a macro cellular network over urban area and an indoor network, combined with two applications: a unicast transmission, e.g., web browsing, and a broadcasting transmission, e.g., video broadcasting. The results show that the Monostream relaying scheme for the DDF protocol provides good performance while allowing both the source and the destination to be relay-unaware. Consequently, the Monostream DDF is a promising protocol for the deployment of plug-and-play relays in wireless systems.


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