Modeling and optimization of multiple access for 5G networks and beyond

Résumé

Au cours des cinq dernières années, la 5G est passée d’un ensemble d’exigences à une norme de communication cellulaire entièrement spécifiée. Les objectifs de conception de la 5G ont suivi la tendance des normes LTE et ont ajouté la prise en charge de nouveaux services parallèlement aux améliorations des communications voix et données. Naturellement, ces nouveaux services ont des exigences de qualité de service différentes de celles des applications voix et données. Pour prendre en charge une myriade d’applications différentes avec des exigences distinctes, la conception des spécifications 5G doit être très flexible, prenant en charge plusieurs numérologies, structures de trames et procédures d’accès aléatoire. Ces changements ont exigé une refonte radicale de plusieurs technologies utilisées dans les réseaux précédents, notamment en repensant l’accès multiple. Les nouveaux services pris en charge par la 5G sont regroupés en trois ensembles d’applications en fonction de leurs besoins : l’évolution du haut-débit mobile (eMBB), les communications machine massives (mMTC) et les communications à ultra haute fiabilité et faible latence (URLLC). Alors que les services eMBB font principalement référence à l’amélioration des applications de données actuelles, les applications mMTC et URLLC n’étaient auparavant pas prises en charge par les anciennes normes cellulaires. Au moment de la rédaction de cette thèse, la spécification de la 5G non autonome, essentiellement la 5G fonctionnant au-dessus des réseaux LTE existants, est terminée. La spécification de la 5G autonome devrait être finalisée dans l’année à venir. Néanmoins, le développement de nouvelles normes cellulaires est un processus progressif, et il reste encore beaucoup à faire pour répondre aux exigences stipulées pour les réseaux 5G et au-delà. Par conséquent, le sujet principal de ce travail est de proposer de nouveaux modèles mathématiques pour permettre l’évaluation théorique des performances des réseaux 5G en ce qui concerne l’accès multiple et de proposer de nouvelles méthodes d’optimisation pour garantir les performances nécessaires aux services 5G. Dans ce contexte, le deuxième chapitre de cette thèse s’intéresse à l’optimisation de l’accès multiple à code clairsemé (SCMA). Le SCMA permet au réseau de servir plus d’utilisateurs que de ressources orthogonales, et émerge donc comme un catalyseur de connectivité massive. Nous formulons deux problèmes d’optimisation : l’un cherchant à maximiser le débit total du réseau et l’autre l’équité. Nous prouvons formellement la complexité des deux problèmes et proposons deux algorithmes d’optimisation sous-optimaux et comparons leurs performances avec d’autres algorithmes de la littérature. De plus, nous analysons l’impact des informations d’état de canal non à jour sur les performances des algorithmes. Le troisième chapitre de cette thèse se concentre sur la modélisation des réseaux d’accès en liaison montante sans autorisation habilité par le SCMA. Nous modélisons ce système dans le cadre de la géométrie stochastique et dérivons des expressions analytiques de pour la densité spectrale de surface et la probabilité de réussite de la transmission. Enfin, nous comparons les performances et l’évolutivité du SCMA avec un système d’accès multiple orthogonal. Dans le quatrième chapitre, nous concentrons nos efforts sur les aspects du service URLLC. Nous considérons un système d’accès en liaison montante sans autorisation fonctionnant sur le spectre des ondes millimétriques avec des stations de base équipées de réseaux d’antennes massifs pour effectuer une formation de faisceau conjuguée afin de séparer les signaux de differents utilisateurs. Nous utilisons un modèle géométrique stochastique spatio-temporel pour dériver des expressions pour la fiabilité du système et la probabilité de défaillance d’accès, et du délai. Enfin, nous étudions l’impact du nombre d’antennes de stations de base sur les performances et évaluons l’adéquation de ce schéma pour satisfaire les exigences strictes de qualité de service des applications URLLC. Le cinquième chapitre de cette thèse concerne le problème d’adaptation de la liaison distribuée dans le cadre d’une transmission sans autorisation en liaison montante dans un système mMTC. Comme les applications mMTC sont limitées en puissance, nous modélisons le problème comme une minimisation intercouche de puissance moyenne sous des contraintes de délai spécifiques à l’utilisateur. Nous formulons le problème sous la forme d’un jeu stochastique partiellement observable et proposons trois algorithmes distribués différents basés sur l’apprentissage par renforcement. Nous évaluons les performances des algorithmes concernant la consommation électrique moyenne et le délai du réseau. De plus, nous comparons les performances des algorithmes avec une solution de base basée sur un protocole de demande de répétition automatique hybride réactif augmentant la puissance. Nous concluons le chapitre en analysant les compromis impliquant les performances des algorithmes et la surcharge de signalisation qu’ils nécessitent.

Date	29 oct. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Georges Kaddoum (Directeur(-trice))