A joint analysis of coding schemes and relay deployment for energy efficient cellular networks

Résumé

Afin de satisfaire la demande des clients à un accès haut débit en tout lieu, les recherches se sont essentiellement concentrées sur la capacité et la couverture des futurs réseaux cellulaires. Mais les avancées technologiques qui ont résulté d’un tel objectif se sont accompagnées d’une très forte hausse de la consommation d’énergie, si bien qu’il est devenu urgent de développer de nouvelles techniques économes en énergie. Dans cette optique, les relais sont considérés comme très prometteurs, pour un coût concurrentiel, et de nombreux algorithmes ont été proposés pour optimiser la position des nouvelles stations. A ce jour pourtant, les analyses de performance des relais se fondent sur des codes sous-optimaux ou optimisés pour le débit. Cette thèse par articles a donc pour but d’étudier les avantages apportés par des codages explicitement optimisés pour l’énergie, en vue de faciliter le déploiement de nouveaux relais. Dans une première partie, nous déterminons l’énergie minimale consommée par un relai qui décode puis retransmet les données (decode-forward), mais qui ne peut transmettre et recevoir simultanément (half-duplex). Pour cela, nous développons un nouveau codage, ainsi que plusieurs allocations de puissance pour minimiser la consommation d’énergie. Un résultat théorique important montre que minimiser l’énergie du réseau n’est pas équivalent à maximiser sa capacité, comme souvent admis. De plus, une telle approche énergétique démontre un avantage certain par rapport à l’approche classique par la capacité, puisqu’elle permet d’obtenir une solution explicite pour l’allocation de puissance optimale et de caractériser complètement le schéma de codage correspondant. Dans une deuxième partie, nous abordons les économies d’énergie qui peuvent être réalisées en optimisant le positionnement des relais. Nous analysons de quelle manière l’environnement de propagation radio, le débit de transmission de l’usager et le codage utilisé affectent le choix de l’emplacement du relai et les performances du réseau. Nous soulignons alors de nouveaux compromis mettant en relation l’extension de couverture, la consommation d’énergie et la facilité de déploiement. L’utilisation de codages optimisés apporte une plus grande robustesse face aux dégradations du canal propagation, dues par exemple à un emplacement peu satisfaisant. De tels codages offrent donc beaucoup de flexibilité dans le positionnement des relais. Dans une troisième partie, nous étudions une nouvelle fois le gain d’énergie maximale permis par un relai dans un environnement à ombrage log-normal, mais en tenant compte cette fois-ci de l’interférence supplémentaire qu’il génère et de l’énergie additionnelle dissipée par l’électronique. Nous développons pour cela des modèles mathématiques pour calculer aisément la zone de la cellule servie par le relai et proposons une nouvelle métrique de performance qui relie le gain en énergie à la perte en interférence. Puis, sur la base de cette analyse, nous mettons à jour le compromis qui existe entre ces deux mesures de performance des réseaux. Malgré une dissipation d’énergie dans les circuits électroniques accrue, l’utilisation de codages optimisés, au lieu d’une simple transmission en deux sauts, permet non seulement d’atténuer les dégradations de performance dues aux interférences, mais aussi de réduire le nombre de relais nécessaires pour atteindre les mêmes performances.

Date	3 juil. 2015
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Gagnon (Directeur(-trice)) & Mai Vu (Codirecteur(-trice))