Full-duplex pour les réseaux cellulaires : une approche basée sur la géométrie stochastique

Full-duplex for cellular networks : a stochastic geometry approach

• Auteur / Autrice : Hernan Arrano Scharager
• Direction : Marceau Coupechoux, Jean-Marc Kelif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, Données et Intelligence Artificielle
• Date : Soutenance le 30/01/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau ; 1977-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Vèque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anastasios Giovanidis, Juan Antonio Cordero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Slim Alouini, Marco Di Renzo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Téléphonie mobile

Systèmes de télécommunications

Mots clés libres

Full-Duplex

Géométrie stochastique

Réseaux cellulaires

5g

Full-Duplex

Stochastic geometry

Cellular networks

5g

Résumé

Le full-duplex (FD) est un principe selon lequel un appareil peut recevoir et émettre sur la même ressource radio temporaux-fréquentiel. Le principe a été longtemps considéré comme irréaliste en raison de la forte auto-interférence qui se produit lors de la transmission et la réception dans le même bloc de ressources. En supposant une annulation parfaite de l’auto-interférence (self-IC), il peut potentiellement doubler l’efficacité spectrale (SE) d’une communication point à point donnée. Dans la pratique, il n’est toutefois pas possible d’obtenir la caractéristique susmentionnée. En outre, dans le contexte d’un réseau cellulaire, la performance du FD n’est pas limitée seulement par l’efficacité du self-IC, puisque des interférences supplémentaires sont créées par les stations de base (BS) et les équipements des utilisateurs (UEs). Toutefois, même avec des niveaux des interférences plus élevés, les liens en voie descendantes(DLs) obtient ainsi de meilleures performances en termes de SE, tandis que les liaisons montantes (UL) sont généralement gravement dégradées par rapport au half-duplex (HD). Nous focalisons notre travail sur l’étude d’alternatives qui peuvent aider à améliorer les UL dégradés dans les réseaux basés sur FD, tout en essayant de profiter des gains obtenus par les DLs. A cet égard, nous utilisons la géométrie stochastique pour caractériser les indicateurs clés de performance des réseaux cellulaires, tels que : probabilité de couverture, SE moyenne et débit de données. La thèse est divisée en trois grandes études. Premièrement, nous proposons une politique qui permet aux BSs d'opérer en FD ou HD en fonction des conditions UL et DL. Deuxièmement, nous étudions la performance des réseaux hybrides HD/FD dans un contexte d’ondes millimétriques. Finalement, nous proposons un algorithme basé sur l’accès multiple non orthogonal (NOMA) et l’annulation d’interférences successives (SIC), qui permet aux stations de base de coordonner leurs schémas de transmission respectifs pour réduire les interférences BS vers BS. Nous démontrons que les modèles présentés permettent d’équilibrer les gains d’une liaison par rapport à l’autre ; réduisant la dégradation de l’UL, tout en maintenant les gains DL. En outre, nous montrons que les scénarios dans lesquels les équipement sont capables de former des faisceaux sont idéaux pour les déploiements FD, puisqu’ils réduisent directement l’interférence co-canal..

Full-duplex (FD) is a principle in which a transceiver can receive and transmit on the same time-frequency radio resource. The principle was long held as impractical due to the high self-interference that arises when simultaneously transmitting and receiving in the same resource block. When assuming perfect self-interference cancellation, FD can potentially double the spectral efficiency (SE) of a given point-to-point communication. In practice though, it is not possible to achieve the aforementioned characteristic. Moreover, under a cellular network context, not only the self-interference limits the performance, since additional co-channel interference is created by base stations (BSs) and users equipment (UEs). However, even with the higher interference dowlinks (DLs) still obtain higher SE performances, whereas uplinks (ULs) are generally critically degraded, when compared to half-duplex (HD). We focus our work in the study of alternatives that can help improve the impaired ULs in FD networks, while still trying to profit from the gains experienced by DLs.In this regard, we use stochastic geometry along the thesis as a means to characterize key performance indicators of cellular networks, such as: coverage probability, average SE and data rates. The thesis is divided into three major studies. Firstly, we propose a duplex-switching policy which enables BSs to operate in FD- or HD- depending on the UL and DL conditions. Secondly, we investigate the performance of hybrid HD/FD networks under a millimeter wave context. Finally, we propose a novel algorithm based on nonorthogonal multiple-access (NOMA) and successive interference cancellation (SIC), which allows BSs to coordinate on their respective transmission schemes to reduce the BS-to-BS interference. We demonstrate that the models presented in the thesis allow to balance the gains of one link over the other; reducing the UL degradation, while maintaining DL gains. In addition, we show that scenarios in which equipment is able to perform beamforming are ideal for FD deployments, since they directly reduce the cochannel interference.