Évaluation des performances et allocation des ressources dans les réseaux terminal à terminal à ondes millimétriques avec formation de faisceaux

Performance evaluation and resource allocation in millimeter waves device-to-device networks with beamforming

• Auteur / Autrice : Yibo Quan
• Direction : Marceau Coupechoux, Jean-Marc Kelif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 06/07/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau ; 1977-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Gorce
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Gorce, Anthony Claude Busson, Laurent Clavier, Ghaya Rekaya Ben Othman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anthony Claude Busson, Laurent Clavier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terminaux (informatique)

Géométrie stochastique

Efficacité

Dispositifs à ondes millimétriques

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Communications terminal à terminal

Formation de faisceaux

Géométrie stochastique

URLLC

Désalignement

D2D communications

Beamforming

Stochastic geometry

URLLC

Misalignment

Résumé

La communication de terminal à terminal (D2D) est une technologie clé pour les futursréseaux sans fil. Elle permet aux appareils de communiquer directement, sans avoir besoin d’une infrastructure cellulaire. La communication en ondes millimétriques (mmWave) utilise des fréquences radio de haute fréquence. Elle offre des bandes passantes très larges, ce qui permet des transmissions rapides et fiables. Cependant, les fréquences mm-Wave ont une atténuation élevée, ce qui n´nécessite que les appareils aient plusieurs antennes et utilisent la formation de faisceau. La formation de faisceau nécessite un alignement précis des faisceaux, et les erreurs d’alignement peuvent entraîner une dégradation des performances de transmission. Dans notre ´étude, nous nous concentrons sur l’analysethéorique des performances de la communication D2D en mmW dans le contexte des communications très fiables et à très faible latence, dites URLLC. Nous utilisons la géométrie stochastique et la théorie des files d’attente pour évaluer les variations spatiales ettemporelles des performances selon deux perspectives différentes. D’une part, nous examinons les propriétés moyennes instantanées du réseau aléatoire,et d’autre part, nous étudions les conditions de stabilité d’un réseau dynamique avec des demandes de service aléatoires. Pour les propriétés dynamiques, nous nous concentrons sur la condition de stabilité du réseau D2D en introduisant des réseaux d’antennesdirectionnelles pour les utilisateurs D2D. Le réseau est modélisé sur la base d’un processus spatial de naissance et de mort. Pour les propriétés instantanées, nous nous soucions principalement de la méta-distribution comme une métrique qui tient compte de la distribution spatiale de la probabilité de couverture. Nous dérivons une expression de la méta-distribution du débit effectif comme une garantie de latence statistique pour les communications URLLC, en considérant à la fois les coûts d’apprentissage et le désalignement pour un réseau D2D avec formation de faisceaux. Enfin, nous proposons des méthodes pour choisir le nombre optimal d’antennes et pour allouer des ressources pour la formation des faisceaux.

Device-to-Device (D2D) communication is a key technology for future wireless networks, allowingdevices to communicate directly without relying on a cellular infrastructure. Millimeter wave (mm-Wave) communication utilizes high-frequency radio, providing very large bandwidths for fast and reliable D2D transmissions. However, mmWave frequencies have high attenuation, requiring devices to have multiple antennas and perform beamforming. The success of beamforming requires beam training. The beam misalignment can impact the performance of the network. To address these challenges, our study focuses on the theoretical analysis of the performance of mmWave D2D communications within the context of Ultra-Reliable Low Latency Communications(URLLC). We use stochastic geometry and queuing theory to evaluate both spatial and temporalvariations in performance from two different perspectives: the instantaneous average properties of the random network and the global stability properties of a dynamic network with random service requests. For the dynamic properties, we focus on the stability condition of D2D network by introducing directional antennas arrays for the D2D users. The network is modeled based on a spatial birth-death process. For the instantaneous properties, we mainly care about the meta-distribution of the network, which is a metric that accounts for the spatial distribution of coverageprobability. We derive the meta-distribution of the effective rate as a statistical latency guarantee for URLLC communications, by considering both the training overhead and misalignment for a D2D network with beamforming. At last, we propose methods to choose the optimal number of antennas and to allocate resource for beam training.