Techniques d’amélioration des performances des méthodes d’accès aléatoire synchrones pour les communications par satellite

par Karine Zidane

Thèse de doctorat en Réseaux, télécom, système et architecture

Sous la direction de Jérôme Lacan.

Le président du jury était Marie-Laure Boucheret.

Le jury était composé de Laurent Franck, Giuseppe Cocco, Mathieu Gineste, Caroline Bès.

Les rapporteurs étaient Riccardo De Gaudenzi, Catherine Douillard.


  • Résumé

    L’optimisation des communications par satellite devient un enjeu crucial pour fournir un accèsInternet aux zones blanches et/ou défavorisées et pour supporter des réseaux à grande échelle.Dans ce contexte, l’utilisation des techniques d’accès aléatoires sur le lien retour permetd’améliorer les performances de ces systèmes. Cependant, les techniques d’accès aléatoireclassiques comme ‘Aloha’ et ‘Slotted Aloha’ ne sont pas optimales pour la transmission dedonnées sur le lien retour. En effet, ces techniques présentent un taux élevé de pertes depaquets suite aux collisions. Par conséquent, des études récentes ont proposé de nouvellesméthodes d’accès aléatoire pour résoudre les collisions entre les paquets et ainsi, améliorerles performances. En particulier, ces méthodes se basent sur la redondance de l’informationet l’annulation successive des interférences. Dans ces systèmes, l’estimation de canal sur le lien retour est un problème difficile en raison du haut niveau de collisions de paquets. Dans une première contribution dans cette thèse, nous décrivons une technique améliorée d’estimation de canal pour les paquets en collision. Par ailleurs, nous analysons l’impact des erreurs résiduelles d’estimation de canal sur la performance des annulations successives des interférences. Même si les résultats obtenus sont encore légèrement inférieurs au cas de connaissance parfaite du canal, on observe une amélioration significative des performances par rapport aux algorithmes d’estimation de canal existants. Une autre contribution de cette thèse présente une méthode appelée ‘Multi-Replica Decoding using Correlation based Localisation’ (MARSALA). Celle-ci est une nouvelle technique de décodage pour la méthode d’accès aléatoire synchrone ‘Contention Résolution diversité Slotted Aloha’ (CRDSA), qui est basée sur les principe de réplication de paquets et d’annulation successive des interférences. Comparée aux méthodes d’accès aléatoire traditionnelles, CRDSA permet d’améliorer considérablement les performances. Toutefois, le débit offert par CRDSA peut être limité à cause des fortes collisions de paquets. L’utilisation deMARSALA par le récepteur permet d’améliorer les résultats en appliquant des techniques de corrélation temporelles pour localiser et combiner les répliques d’un paquet donné. Cette procédure aboutit à des gains en termes de débit et de taux d’erreurs paquets. Néanmoins, le gain offert par MARSALAest fortement dépendant de la synchronisation en temps et en phase des répliques d’un mêmepaquet. Dans cette thèse, nous détaillons le fonctionnement de MARSALA afin de corriger ladésynchronisation en temps et en phase entre les répliques. De plus, nous évaluons l’impactde la combinaison imparfaite des répliques sur les performances, en fournissant un modèle analytique ainsi que des résultats de simulation. En outre, plusieurs schémas d’optimisationde MARSALA sont proposés tels que le principe du ‘MaximumRatio Combining’, ou la transmissiondes paquets à des puissances différentes. Utilisées conjointement, ces différentespropositions permettent d’obtenir une amélioration très significative des performances. Enfin,nous montrons qu’en choisissant la configuration optimale pour MARSALA, le gain deperformance est considérablement amélioré.

  • Titre traduit

    Improving Synchronous Random Access Schemes for Satellite Communications


  • Résumé

    With the need to provide the Internet access to deprived areas and to cope with constantlyenlarging satellite networks, enhancing satellite communications becomes a crucial challenge.In this context, the use of Random Access (RA) techniques combined with dedicated accesson the satellite return link, can improve the system performance. However conventionalRA techniques like Aloha and Slotted Aloha suffer from a high packet loss rate caused bydestructive packet collisions. For this reason, those techniques are not well-suited for datatransmission in satellite communications. Therefore, researchers have been studying andproposing new RA techniques that can cope with packet collisions and decrease the packet lossratio. In particular, recent RA techniques involving information redundancy and successiveinterference cancellation, have shown some promising performance gains.With such methods that can function in high load regimes and resolve packets with high collisions,channel estimation is not an evident task. As a first contribution in this dissertation, wedescribe an improved channel estimation scheme for packets in collision in new RAmethodsin satellite communications. And we analyse the impact of residual channel estimation errorson the performance of interference cancellation. The results obtained show a performancedegradation compared to the perfect channel knowledge case, but provide a performanceenhancement compared to existing channel estimation algorithms. Another contribution of this thesis is presenting a method called Multi-Replica Decoding using Correlation based Localisation (MARSALA). MARSALA is a new decoding technique for a recent synchronous RAmethod called Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA). Based on packets replication and successive interference cancellation, CRDSA enables to significantly enhance the performance of legacy RA techniques. However, if CRDSA is unable to resolve additional packets due to high levels of collision, MARSALA is applied. At the receiver side, MARSALA takes advantage of correlation procedures to localise the replicas of a given packet, then combines the replicas in order to obtain a better Signal to Noise plus Interference Ratio. Nevertheless, the performance ofMARSALA is highly dependent on replicas synchronisation in timing and phase, otherwise replicas combination would not be constructive. In this dissertation, we describe an overall framework ofMARSALA including replicas timing and phase estimation and compensation, then channel estimation for theresulting signal. This dissertation also provides an analytical model for the performancedegradation of MARSALA due to imperfect replicas combination and channel estimation.In addition, several enhancement schemes forMARSALA are proposed likeMaximum RatioCombining, packets power unbalance, and various coding schemes. Finally, we show thatby choosing the optimal design configuration for MARSALA, the performance gain can besignificantly enhanced.


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