Récepteurs avancés pour la coopération distribuée dans les réseaux ad hoc mobiles

Advanced receivers for distributed cooperation in mobile ad hoc networks

• Auteur / Autrice : Serdar Sahin
• Direction : Charly Poulliat, Marie-Laure Boucheret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 10/10/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Vandendorpe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charly Poulliat, Marie-Laure Boucheret, Florence Alberge, Inbar Fijalkow, Raymond Knopp, Bernard Henri Fleury, Antonio Maria Cipriano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Alberge, Inbar Fijalkow

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Statistique bayésienne

Réseaux ad hoc (informatique)

Mots clés libres

Réseau ad hoc mobile (MANET)

Communication coopérative

Diffusion coopérative

Détection itérative

Egalisation

Estimation de channel

Inférence bayésienne

Propagation de l'espérance

Algorithmes de passage de message

Dépliement profond

Prédiction semi-analytique

Cooperative communications

Mobile ad-hoc network (MANET)

Cooperative broadcast

Iterative detection

Equalization

Channel estimation

Bayesian inference

Expectation propagation

Message passing algorithms

Deep unfolding

Semi-analytic prediction

Résumé

Les réseaux ad hoc mobiles (MANETs) sont des systèmes de communication sans fil rapidement déployables et qui fonctionnent avec une coordination minimale, ceci afin d'éviter les pertes d'efficacité spectrale induites par la signalisation. Les stratégies de transmissions coopératives présentent un intérêt pour les MANETs, mais la nature distribuée de tels protocoles peut augmenter le niveau d'interférence avec un impact autant plus sévère que l'on cherche à pousser les limites des efficacités énergétique et spectrale. L'impact de l'interférence doit alors être réduit par l'utilisation d'algorithmes de traitement du signal au niveau de la couche PHY, avec une complexité calculatoire raisonnable. Des avancées récentes sur les techniques de conception de récepteurs numériques itératifs proposent d'exploiter l'inférence bayésienne approximée et des techniques de passage de message associés afin d'améliorer le potentiel des turbo-détecteurs plus classiques. Entre autres, la propagation d'espérance (EP) est une technique flexible, qui offre des compromis attractifs de complexité et de performance dans des situations où la propagation de croyance conventionnel est limité par sa complexité calculatoire. Par ailleurs, grâce à des techniques émergentes de l'apprentissage profond, de telles structures itératives peuvent être projetés vers des réseaux de détection profonds, où l'apprentissage des hyper-paramètres algorithmiques améliore davantage les performances. Dans cette thèse nous proposons des égaliseurs à retour de décision à réponse impulsionnelle finie basée sur la propagation d'espérance (EP) qui apportent des améliorations significatives, en particulier pour des applications à haute efficacité spectrale vis à vis des turbo-détecteurs conventionnels, tout en ayant l'avantage d'être asymptotiquement prédictibles. Nous proposons un cadre générique pour la conception de récepteurs dans le domaine fréquentiel, afin d'obtenir des architectures de détection avec une faible complexité calculatoire. Cette approche est analysée théoriquement et numériquement, avec un accent mis sur l'égalisation des canaux sélectifs en fréquence, et avec des extensions pour de la détection dans des canaux qui varient dans le temps ou pour des systèmes multi-antennes. Nous explorons aussi la conception de détecteurs multi-utilisateurs, ainsi que l'impact de l'estimation du canal, afin de comprendre le potentiel et le limite de cette approche. Pour finir, nous proposons une méthode de prédiction performance à taille finie, afin de réaliser une abstraction de lien pour l'égaliseur domaine fréquentiel à base d'EP. L'impact d'un modélisation plus fine de la couche PHY est évalué dans le contexte de la diffusion coopérative pour des MANETs tactiques, grâce à un simulateur flexible de couche MAC

Mobile ad hoc networks (MANETs) are rapidly deployable wireless communications systems, operating with minimal coordination in order to avoid spectral efficiency losses caused by overhead. Cooperative transmission schemes are attractive for MANETs, but the distributed nature of such protocols comes with an increased level of interference, whose impact is further amplified by the need to push the limits of energy and spectral efficiency. Hence, the impact of interference has to be mitigated through with the use PHY layer signal processing algorithms with reasonable computational complexity. Recent advances in iterative digital receiver design techniques exploit approximate Bayesian inference and derivative message passing techniques to improve the capabilities of well-established turbo detectors. In particular, expectation propagation (EP) is a flexible technique which offers attractive complexity-performance trade-offs in situations where conventional belief propagation is limited by computational complexity. Moreover, thanks to emerging techniques in deep learning, such iterative structures are cast into deep detection networks, where learning the algorithmic hyper-parameters further improves receiver performance. In this thesis, EP-based finite-impulse response decision feedback equalizers are designed, and they achieve significant improvements, especially in high spectral efficiency applications, over more conventional turbo-equalization techniques, while having the advantage of being asymptotically predictable. A framework for designing frequency-domain EP-based receivers is proposed, in order to obtain detection architectures with low computational complexity. This framework is theoretically and numerically analysed with a focus on channel equalization, and then it is also extended to handle detection for time-varying channels and multiple-antenna systems. The design of multiple-user detectors and the impact of channel estimation are also explored to understand the capabilities and limits of this framework. Finally, a finite-length performance prediction method is presented for carrying out link abstraction for the EP-based frequency domain equalizer. The impact of accurate physical layer modelling is evaluated in the context of cooperative broadcasting in tactical MANETs, thanks to a flexible MAC-level simulator