Extension and analysis of hybrid ARQ schemes in the context of cooperative relaying

par Anna Vanyan

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pierre Duhamel.

Le président du jury était Philippe Ciblat.

Le jury était composé de Pierre Duhamel, Philippe Ciblat, Jean-François Hélard, Charly Poulliat, Francesca Bassi.

Les rapporteurs étaient Jean-François Hélard, Charly Poulliat.

  • Titre traduit

    Extension et analyse des systèmes de retransmissions hybrides (HARQ) dans le contexte de relais coopératifs


  • Résumé

    Dans le canal sans fil, la communication coopérative permet à un ou plusieurs relais d’aider la transmission entre la source et la destination. L'objectif de cette thèse est de développer des outils d'analyse de performance pour les systèmes coopératifs utilisant des techniques HARQ. Le premier chapitre de cette thèse donne des informations sur le codage de réseau dans les réseaux coopératifs, et introduit la motivation pour ce travail. L’objectif du deuxième chapitre est d’analyser et d’évaluer les performances de la qualité de service (QoS) des schémas ARQ-STBC, HARQ et FEC, dans le contexte de l’efficacité énergétique, aux niveaux des couches MAC et IP. Afin d’atteindre ce but, une nouvelle méthode d'analyse est dérivé et appliqué au scénario de communication point à point (P2P). Ceci nous permet de comparer les schémas avec et sans retransmissions, et d’établir la consommation d’énergie de chaque système considéré. Cela nous permet de déterminer dans quelles conditions il est énergétiquement plus efficace d’utiliser la protection cross-layer, ou le simple codage de canal. Dans le troisième chapitre une classe de protocoles coopératifs déterministes est introduite. Les protocoles que nous considérons sont différents en termes du comportement de relais(s) de source(s), et de la destination. Nous considérons deux types de protocoles coopératifs: decode-and-forward (DCF), et demodulate-and-forward (DMF). Les performances de chacun de ces protocoles sont analysés, avec et sans combining à la destination. Les évaluations de QoS qui sont examinés sont: le taux d'erreur de trame, le délai, l'efficacité, et le goodput. Les dérivations analytiques sont effectuées à l'aide de la machine à états finis de Markov, ainsi que grâce à l’approche combinatoire. Cependant, il est démontré, que la complexité de ces dérivations augmente au moment ou le crédit de retransmissions et/ou des nœuds dans le réseau est augmentée. Donc cette approche devient non-traitable pour des grands schémas coopératifs. Le quatrième chapitre présente une classe de protocoles de communication probabilistes, où les nœuds retransmettent avec une certaine probabilité. Il est démontré l'existence d'une classe de protocoles probabilistes équivalents, qui permettent d’obtenir les mêmes performances des protocoles déterministes précédemment traités. En utilisant la preuve de concept, nous démontrons que le protocole probabiliste permet d’effectuer les évaluations analytiques de réseaux multi-nœuds, même dans le cas d'un grand nombre de nœuds dans le réseau. Basée sur cela, nous déduisons les paramètres QoS, et les évaluons également par des simulations Monte-Carlo. Les paramètres d'évaluation de performances dérivées sont optimisés en limitant le taux d'erreur de trame, et en essayant de trouver le nombre de transmissions optimal et le code rate qui maximisent le goodput. Il est également démontré que la classe de protocoles probabilistes peut atteindre une région d’optimalité plus grand que la classe de protocoles déterministes.


  • Résumé

    In the wireless channel, cooperative communications allow one or many relays to assist the communication between the source and the destination. The aim of this thesis is the development of tools for the analysis of cooperative systems, when HARQ techniques are employed to provide cross-layer error protection. The first chapter of the thesis gives background information on network coding in cooperative relay networks, and introduces the motivation for this work. The second chapter is devoted to the analysis of the energetic-fair performance evaluations of FEC, ARQ-STBC and HARQ schemes at the MAC and IP layers. New analytical framework is derived and applied to a point-to-point network scenario. This framework allows to make energetic fair comparisons between the schemes with and without retransmissions. We determine under which channel conditions the cross-layer error protection is energetically more efficient than the simple channel coding. In the third chapter of this thesis we study the cooperative deterministic protocols. The protocols that we consider differ based on the behaviour of the relay(s), source(s), and destination. We consider two major types of cooperative protocols: decode-and forward (DCF), and demodulate-and-forward (DMF). Each of these protocols in its turn is analysed with and without combining mechanisms at the destination. We derive the soft decoders at the destination side for each respective case, and compare the performances of these protocols at the MAC layer. The following quality of service metrics are evaluated: frame error rate, delay, efficiency, goodput. The analysis is done evaluating the steady-state, using finite state Markov chains and a combinatorial approach. The analysis, however, becomes very complex as the number of transmissions and/or nodes in the network increases. The fourth chapter introduces a class of probabilistic communication protocols, where the devices retransmit with a given probability. We prove the existence of an equivalent class of protocols, with the same performances as the deterministic class. Using proofs of concept it is shown that the probabilistic protocol class allows for tractable steady-state analysis, even for many nodes in the network. Based on this, we then derive the QoS metrics and evalute them also by simulations. The derived performance evaluation metrics are then optimized by constraining the frame error rate, and trying to find the most optimal transmissions number and code rates which maximize the goodput. It is furthermore shown, that the equivalent protocol has larger optimal region than the deterministic one.


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