Resource allocation techniques for non-orthogonal multiple access systems

par Marie Rita Hojeij

Thèse de doctorat en Télécommunications

Sous la direction de Catherine Douillard et de Joumana Farah Francis.

Le président du jury était Didier Le Ruyet.

Le jury était composé de Catherine Douillard, Joumana Farah Francis, Georges Kaddoum, Matthieu Crussière, Charbel Abdel Nour.

Les rapporteurs étaient Didier Le Ruyet, Georges Kaddoum.

  • Titre traduit

    Techniques d’allocation de ressources pour les systèmes à accès multiple non orthogonal


  • Résumé

    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. Après une étude bibliographique des différentes techniques d’allocation de ressources présentée dans le premier chapitre, on propose dans le deuxième chapitre plusieurs stratégies d’allocation de ressource où une réduction de la bande utilisée par les utilisateurs est ciblée. Les résultats de simulation montrent que les stratégies proposées améliorent à la fois l’efficacité spectrale et le débit total des utilisateurs par rapport aux systèmes basés uniquement sur des techniques d’accès orthogonales. Quant au troisième chapitre, il étudie la performance du Proportional Fairness (PF) Scheduler tout en considérant que la bande passante est disponible en totalité. Dans ce sens, plusieurs améliorations basées sur le PF sont proposées, qui offrent au système NOMA des avantages en termes de débit, d’équité entre utilisateurs et de qualité de service. Dans le quatrième chapitre, nous proposons plusieurs techniques d’allocation de ressources qui donnent aux utilisateurs la possibilité de favoriser le débit par rapport à l’équité entre utilisateurs et vice versa. Dans le dernier chapitre, différentes techniques permettant une transmission hybride broadcast/broadband sur la même bande de fréquence sont proposées et comparées à l’état de l’art.


  • Résumé

    With the proliferation of Internet applications, between the end of 2016 and 2022, total mobile traffic is expected to increase by 8 times. At the same time, communications networks are required to further enhance system efficiency, latency, and user fairness. To this end, non-orthogonal multiple access (NOMA) has recently emerged as a promising candidate for future radio access. By exploiting an additional multiplexing domain, the power domain, NOMA allows the cohabitation of two or more users per subcarrier, based on the principle of signal superposition. This dissertation addresses several radio resource allocation problems in mobile communication systems, in order to improve network performance in terms of spectral efficiency, through put, or fairness. Theoretical analysis and algorithmic solutions are derived. Numerical results are obtained to validate our theoretical findings and demonstrate the algorithms ability of attaining optimal or sub-optimal solutions. To this direction, the second chapter of this thesis investigates several new strategies for the allocation of radio resources (bandwidth and transmission power) using NOMA principle, where the minimization of the total amount of used bandwidth is targeted. Extensive simulation results show that the proposed strategies for resource allocation can improve both the spectral efficiency and the cell-edge user throughput, especially when compared to schemes employing only orthogonal signaling. A context where the total bandwidth is available has also been studied, in the 3rd chapter where we investigate the performance of the proportional fairness (PF) scheduler, and we propose modifications to it, at the level of user scheduling and power allocation that show to improve the system capacity, user fairness and QoS. In the 4th chapter, we proposed new pairing metrics that allow to favor the fairness at the expense of the throughput and vice versa. The proposed metrics show enhancements at the level of system capacity, user fairness, and computational complexity. Different techniques that allow a hybrid broadcast/multicast transmission on the same frequency platform are proposed in the last chapter and compared to the state of the art.


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