Resource allocation strategies in mono and multi user contexts for high data rate communication over powerline
Stratégies d'allocation de ressources dans des contextes mono et multiutilisateurs pour des communications à très haut débit sur lignes d'énergie
Résumé
The demand for broadband services over PLC (powerline communications) networks has been growing rapidly during the recent past due to the availability of infrastructures and low deployment costs. This kind of network supports multiple high-speed traffics with seamless connectivity among multiple nodes and access points. In this context, efficient management of available resources through allocation policies is needed to satisfy the quality of service requirements. These policies consist in determining efficient rules for allocating resources in order to optimize the transmission rates in PLC network. This thesis proposes resource allocation strategies to increase transmission rates in single and multi-user contexts. However, the transmission characteristics of the powerline channel are less favorable for data transfer, since it was originally not designed for that purpose. To exploit these difficult channel conditions, data is transmitted via a waveform combining the linear precoding technique and the multicarrier OFDM modulation scheme, leading to the LP-OFDM (linear precoding OFDM) solution. Assuming a perfect knowledge of the channel conditions at the transmitter side, this combination allows a more efficient utilization of the available transmission power. The achieved data rates are then increased by adapting modulation orders, transmitted power levels and the distribution of time-frequency resources, to the channel conditions. The main objective of this thesis is to study and optimize distribution strategies, for one or more users, of different subchannels (subcarriers in OFDM case and precoding sequences in LP-OFDM case) of the multicarrier systems and the bits and powers allocated to these subchannels. First, the problem of maximizing the bit rate is studied in a single user context and uses as the basis for multi-user context. A new resource allocation algorithm for LP-OFDM systems with minimum mean square error equalizer is proposed and constitutes the first original contribution. In addition, two novel bit and power allocation algorithms, with low complexity, are proposed to maximize the total bit rate while satisfying a bit error rate constraint. Then, a physical layer approach of multicast communications is addressed for LP-OFDM systems. The proposed methods better exploit the diversities of transmission links to increase the users' bit rates. Compared to the conventional resource allocation method in multicast OFDM systems, simulation results show bit rate gains up to 70% with linear precoding based methods. Finally, the possibility for several users to simultaneously access to the same physical medium is analysed for PLC networks. Current powerline communication systems are characterized by multiple access methods where different users transmit their signals in separate time intervals. New resource allocation algorithms are then proposed and analysed for simultaneous transmission over the same physical medium, in centralized and decentralized manner. Again, the results show the interest of the LP-OFDM solution.
Au cours des dernières années, la demande de services sur les réseaux CPL (courant porteur en ligne) a connu une forte augmentation du fait de la disponibilité des infrastructures et du faible coût de déploiement. Ce type de réseau supporte plusieurs trafics à haut débit avec une facilité de connexion entre plusieurs noeuds et points d'accès. Dans ce contexte, une gestion efficace des ressources disponibles, par l'intermédiaire de politiques d'allocation, s'avère indispensable pour satisfaire les contraintes de qualité de service. Ces politiques consistent à répartir efficacement les ressources dans le but d'optimiser les débits de transmission dans le réseau CPL. La présente thèse propose des stratégies d'allocation des ressources permettant d'augmenter les débits de transmission dans les contextes mono et multi-utilisateurs. Cependant, le canal de propagation CPL est peu favorable à la transmission de données à haut débit, puisqu'il n'a pas, à l'origine, été conçu dans ce but. Afin d'exploiter ce canal difficile, les données sont transmises via une forme d'onde combinant la technique de précodage linéaire aux modulations à porteuses multiples de type OFDM et conduisant à la solution LP-OFDM (linear precoded OFDM). Sous l'hypothèse d'une connaissance parfaite de la réponse du canal, cette combinaison permet une exploitation plus efficace de la puissance disponible. Les débits de transmission sont alors augmentés en adaptant les ordres de modulation, les niveaux de puissance et la répartition des ressources temps-fréquences aux conditions des liens de transmission. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier et d'optimiser les stratégies de distribution : * des sous-canaux (qui peuvent être les sous-porteuses du système OFDM ou les séquences de précodage du système LP-OFDM) ; * des bits et puissances attribués à ces sous-canaux. Dans un premier temps, le problème de maximisation du débit dans un contexte mono-utilisateur est étudié et sert de base pour le contexte multi-utilisateur. Un nouvel algorithme d'allocation des ressources pour le système LP-OFDM avec une mise en oeuvre de l'égalisation suivant le critère de l'erreur quadratique moyenne est proposé, ce qui constitue une première contribution originale. De plus, deux autres nouveaux algorithmes d'adaptation des ordres de modulation et des niveaux de puissance, de faible complexité, sont proposés pour maximiser le débit total tout en respectant une contrainte de taux d'erreur binaire. Dans un second temps, une approche couche physique de la communication multicast est étudiée pour le système LP-OFDM. Les méthodes proposées permettent de mieux exploiter la diversité des liens de transmission pour augmenter les débits des utilisateurs. Comparés à la méthode classique d'allocation des ressources en OFDM multicast, les résultats de simulations montrent des gains en débit pouvant atteindre 70%. Enfin, la possibilité pour plusieurs utilisateurs de transmettre simultanément des données dans un réseau CPL est analysée. Les systèmes actuels CPL sont caractérisés par des procédés d'accès multiple où les différents utilisateurs transmettent leurs signaux dans des intervalles de temps distincts. De nouveaux algorithmes d'allocation des ressources, dans un contexte centralisé ou décentralisé, sont alors proposés et analysés pour une transmission simultanée dans le réseau. Les résultats obtenus mettent à nouveau en évidence l'intérêt de la solution LP-OFDM.
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