Théorie des graphes pour l’optimisation d’un équipement radio logicielle multi-standards

Optimization of a Software Defined Radio multi-standard system using Graph Theory.

• Auteur / Autrice : Patricia Kaiser
• Direction : Yves Louët, Amine El Sahili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications (STIC)
• Date : Soutenance le 20/12/2012
• Etablissement(s) : Supélec en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes - Signal- Communication et Electronique Embarquée - Supelec / SCEE
• Jury : Président / Présidente : Oussama Bazzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ali Chamas Al Ghouwayel, Samer Lahoud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Pérennes, Francis C. M. Lau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radio logicielle

Théorie des graphes

Mots clés libres

Concept de radio logicielle

Théorie des graphes

Hypergraphes orientés

NP

Optimisation

Paramétrisation

Software Defined Radio

Graph theoretical definitions

Directed hypergraphs

NP

Optimization

Parametrization

Résumé

Le concept de radio logicielle (SDR) est une solution pertinente pour concevoir des équipements multi-standards. Une façon de réaliser de tels équipements est d'identifier les fonctions et opérateurs communs entre les standards. Cette approche s’appelle la paramétrisation et est divisée en deux catégories : l'approche pragmatique qui est une version pratique pour créer et développer des opérateurs communs à partir d’opérateurs existants, et l'approche théorique dont l’objectif est de réaliser une exploration graphique d’un équipement multi-standards selon différents niveaux de granularité, accompagnée d’un problème d'optimisation. C’est cette dernière approche qui a constitué le sujet de base de cette thèse. Ainsi, une fonction de coût doit être optimisée afin de sélectionner les opérateurs communs entre les différentes normes, ce qui permet de proposer une configuration optimale à partir de laquelle sont déduits les opérateurs communs. Dans notre travail, nous avons dans un premier temps modélisé théoriquement la structure graphique d’un système multi-standards par un hypergraphe orienté. En outre, nous avons fourni une expression mathématique alternative de la fonction de coût suggérée, en utilisant des définitions propres à la théorie des graphes. Ensuite, nous avons montré que le problème d'optimisation associé était un problème NP sous une certaine contrainte, ce qui a entraîné une preuve d'exclusion de certaines configurations dont les coûts ne peuvent être minimaux. Ceci a constitué la deuxième contribution de cette thèse. Enfin, nous avons proposé un nouvel algorithme permettant de résoudre le problème d'optimisation donné, et dont l'intérêt est de donner une solution optimale du problème au lieu d’une solution approchée fournie par les méthodes heuristiques classiques. Un programme associé à cet algorithme a été développé en langage C, puis appliqué à plusieurs exemples de cas génériques afin d’en étudier les performances.

The Software-Defined Radio (SDR) concept is emerging as a potential and efficient solution for designing flexible future-proof multi-standard systems. A way of realizing a multi-standard terminal is to identify the appropriate common functions and operators inside and between the standards. This is what's called the parametrization approach, which can be divided into two categories: the pragmatic approach which is a practical version to create and develop common operators, and the theoretical approach which represents a graphical exploration of the SDR multi-standard system at different levels of granularity accompanied with an optimization problem. It’s in this last approach where our thesis subject dwells. In this context, a suggested cost function (in previous work) has to be optimized in order to select the convenient common operators between the different standards, enabling to construct an optimal design. In our work, we theoretically model a previously proposed graph structure of an SDR multi-standard system as a directed hypergraph as well as provide an alternative mathematical formal expression of the suggested cost function, using various graph theoretical definitions and notations. Afterwards, we prove that the associated optimization problem is an NP-problem under a certain constraint, which entails a proof of exclusion of some particular design options when searching for a minimum cost design. This was the second contribution in this thesis before we finally present a new algorithm (which exploits various modelization aspects of directed hypergraphs) that can solve the optimization problem, whose interest is in it giving an exact-optimal solution to our problem instead of a near-optimal one provided by heuristics. A program code for this algorithm was developed in C-language, and then it was applied on several generic case examples in order to explore its performance skills.