Power allocation in overlaid DVB-LTE systems

par Hiba Bawab

Thèse de doctorat en Electronique et Télécommunications

Sous la direction de Jean-François Hélard et de Oussama Bazzi.

  • Titre traduit

    Allocation de puissance pour des systèmes DVB et LTE en présence de recouvrement spectral


  • Résumé

    L'avènement de terminaux avancés permet l'accès à des services toujours plus gourmands en bande passante, avec notamment le déploiement de services de vidéo mobile sans couture offert par le mode diffusion mobile intégré standardisé par le 3GPP. Dans le même temps, la communauté << broadcast » s'est adaptée aux nouveaux usages de télévision mobile avec la norme DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld). Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier la convergence spectrale entre les deux réseaux DVB et LTE en déployant une petite cellule LTE au sein d'une grande cellule DVB. Les deux technologies utilisent une forme d'onde OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), en liaison descendante pour le LTE, ct possèdent donc quelques similarités tout en étant assez différentes par leurs caractéristiques. Dans ces travaux, nous nous intéressons aux performances atteignables lorsque les deux systèmes se recouvrent spectralement sans coopération. Le problème considéré étant analogue à un problème d’utilisateur secondaire opérant en mode recouvrement avec un utilisateur primaire, on commence par étudier le problème de la capacité ergodique du système secondaire, i.e. utilisateur LTE, sous contraintes de puissance moyenne générée par le secondaire sur le primaire, i.e LTE sur DVB, et de puissance crête au secondaire lorsque l'utilisateur primaire interfère sur le secondaire. Le problème est résolu analytiquement dans le cas général du canal croisé avec évanouissements de Rayleigh. Dans un deuxième temps nous étendons cette étude préliminaire au cas où la forme d'onde des deux systèmes primaire et secondaire est effectivement de type OFDM. En considérant d'abord un modèle simple de recouvrement total des sous-porteuses, nous délivrons la capacité ergodique globale ce qui nous permet d'évaluer l'influence des paramètres des systèmes, comme le nombre de sous-porteuses de chaque système ou les puissances interférentes, sur les capacités globales et individuelles. Nous nous intéressons ensuite à l'optimisation de la capacité globale où deux stratégies sont étudiées. D'une part, la capacité globale étant la somme de deux fonctions convexe et concave respectivement, la solution obtenue conduit au minimum de capacité globale mais mène à une situation d'équilibre entre les systèmes DVB et LTE. D'autre part, la maximisation de la capacité globale sous contrainte conduit à favoriser largement un système sur l'autre. Enfin, une étude fine de l'interférence causée par un système sur l'autre par recouvrement partiel est menée. L'effet de la variation du taux de recouvrement spectral entre les bandes du DVB et du LTE sur l'efficacité spectrale globale est étudié. On suppose ensuite que le récepteur possède une capacité de réjection de l'interférence permettant de déterminer le recouvrement optimal maximisant la capacité globale. Les différentes contributions de ces travaux ont permis d'avoir une approche théorique sur la modalité d'allocation de puissance des deux systèmes DVB et LTE co-existants et sur le taux de recouvrement approprié entre leurs spectres respectifs. Cette étude pourrait être ut le pour les opérateurs intéressés par un scénario de déploiement dense afin de choisir les configurations optimales des ressources dans une perspective de réutilisation agressive des fréquences.


  • Résumé

    Since the launch of the first numerical mobile telecommunications networks in the nineties, the quantity of the transmitted data over the networks is increasing year by year. Advanced user equipments enable to implement more and more bandwidth consuming services such as mobile T and multimedia internet, available in the integreted mobile broadcast mode recently standardized by the 3GPP group. In the meanwhile, the digital vide broadcasting - next generation handled (DVB-NGH) has been released in order to satisfy the increasing demand for mobile TV. These technologies compete for a more and more constrained spectral resource leading to question the possibility to deploy DVB and Long Term Evolution (LTE) service in a spectral overlay mode as it has been investigated by the Ml project funded by the National Research Agency. In this context, this thesis aims at studying the spectral convergence between DVB and LTE networks by deploying a small LTE cell in a large DVB cell. Both technologies present some similarities, i.e. both use orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) waveform (in downlink for LTE), but technical characteristics remain rather different between those. In this work, we deal with achievable performance when DVB and LTE spectrally overlap without cooperation. The considered problem being analog to the Seconda1y User (SU) - Primary User (PU) coexistence in overlay scenario, the SU ergodic capacity under average power generated on PU and peak power at SU constaints is investigated. An analytic solution is proposed in X-Channel with Rayleigh fading. In a second time, SU and PU are considered to be LTE and DVB respectively with their particular OFDM signal characteristics. With a first model of overlapping subcarriers, LTE and DVB ergodic capacities and global capacity as well are derived in closed form allowing to study the influence of several system parameters on ergodic capacities. The global capacity is then optimized using a convex-concave procedure leading to the minimum on the global capacity but to balanced capacity on individual links. On a second hand, global capacity maximization leads to favor one system over the other. Last but not least, a careful study of the interference caused by one system over the other by partial overlay is led. The effect of spectral overlap ratio between DVB and LTE systems over the global spectral efficiency is investigated. Advanced interference rejection ability is then assumed at receivers and the optimal spectral overlap, i.e. maximizing the global capacity, is then derived in that case. The different contributions in this work give a theoretical approach on the power allocation modality of two coexisting DVB and LTE systems and on the appropriate spectral overlap ratio between their respective spectrums. This study can be useful for operators interested in dense network deployment scenarios to decide the operating point of allocated resources in a very aggressive frequency reuse pattern.


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