1,721,219 research outputs found
Coordination of autonomous devices over noisy channels : capacity results and coding techniques
No full textLes réseaux de 5ème génération se caractérisent par la communication directe entre machines (M2M) et l’Internet des Objets, un réseau unifié d’objets connectés. Dans ce contexte, les appareils communicants sont des décideurs autonomes qui coopérent, coordonnent leurs actions et se reconfigurent de manière dynamique enfonction de leur environnement. L’enjeu est de développer des algorithmes efficaces pour coordonner les actions des appareils autonomes constituant le réseau.La théorie de l’information nous permet d’étudier le comportement de long-terme des appareils grâce aux distributions de probabilité conjointes. En particulier, nous sommes intéressés par la coordination forte, qui exige que la distribution induite sur les suites d’actions converge en distance L^1 vers une distribution i.i.d. cible.Nous considérons un model point-à-point composé d’une source d’information, d’un encodeur, d’un canal bruité, d’un décodeur, d’une information commune et nous cherchons à coordonner les signaux en entrée et en sortie du canal avec la source et sa reconstruction.Nos premiers résultats sont des bornes intérieures et extérieure pour la région de coordination forte, c’est-à-dire l’ensemble des distributions de probabilité conjointes réalisables et la quantité d’information commune requise.Ensuite, nous caractérisons cette région de coordination forte dans trois cas particuliers: lorsque le canal est parfait, lorsque le décodeur est sans perte et lorsque les variables aléatoires du canal sont indépendantes des variables aléatoires de la source. L’étude de ce dernier cas nous permet de remettre en cause le principe de séparation source-canal pour la coordination forte. Nous démontrons également que la coordination forte offre “gratuitement” des garanties de sécurité au niveau de la couche physique.Par ailleurs, nous étudions la coordination sous l’angle du codage polaire afin de développer des algorithmes de codage implémentables. Nous appliquons la polarisation de la source de manière à créer un schéma de codage explicite qui offre une alternative constructive aux preuves de codage aléatoires.5G networks will be characterized by machine to machine communication and the Internet of Things, a unified network of connected objects. In this context, communicating devices are autonomous decision-makers that cooperate, coordinate their actions, and reconfigure dynamically according to changes in the environment.To do this, it is essential to develop effective techniques for coordinating the actions of the nodes in the network.Information theory allows us to study the long-term behavior of the devices through the analysis of the joint probability distribution of their actions. In particular, we are interested in strong coordination, which requires the joint distribution of sequences of actions to converge to an i.i.d. target distribution in L^1 distance.We consider a two-node network comprised of an information source and a noisy channel, and we require the coordination of the signals at the input and at the output of the channel with the source and the reconstruction. We assume that the encoder and decoder share a common source of randomness and we introduce a state capturing theeffect of the environment.The first objective of this work is to characterize the strong coordination region, i.e. the set of achievable joint behaviors and the required minimal rates of common randomness. We prove inner and outer bounds for this region. Then, we characterize the exact coordination region in three particular cases: when the channel is perfect, when the decoder is lossless and when the random variables of the channel are separated from the random variables of the source.The study of the latter case allows us to show that the joint source-channel separation principle does not hold for strong coordination. Moreover, we prove that strong coordination offers “free” security guarantees at the physical layer.The second objective of this work is to develop practical codes for coordination: by exploiting the technique of source polarization, we design an explicit coding scheme for coordination, providing a constructive alternative to random coding proofs
Contribution to the construction and the decoding of polar codes
No full textDans un monde où les flux de données sont toujours plus intenses et omniprésents, les codes correcteurs d’erreurs constituent une composante essentielle aux systèmes de télécommunications, en permettant de compenser l’altération inévitable du message lors de la transmission, grâce à l’ajout de redondance. Dernière famille de codes à avoir été découverte, en 2008, les codes polaires ont rapidement attiré l’attention des chercheurs par leur aptitude à garantir une probabilité d’erreur arbitrairement faible pour tout rendement inférieur ou égal à la capacité du canal de propagation – la limite théorique, définie par Shannon en 1948. Tout récemment, ces codes ont été adoptés pour être utilisés dans la Cinquième génération de standards pour la téléphonie mobile 5G. Cette thèse porte sur l’étude de cette famille de codes face aux contraintes applicatives rencontrées en pratiques, et notamment dans la 5G, à travers les deux axes principaux que sont la construction des codes et leur décodage en longueur finie.Après avoir passé en revue la définition et la caractérisation des codes polaires, ainsi que les aspects relatifs au spectre des distances, cette thèse explore la question de la flexibilité des codes en termes de longueurs, à l’aide des techniques de poinçonnage et de raccourcissement, et développe une méthodes pour optimiser le choix des motifs de sorte à minimiser le taux d’erreur pour le décodeur par annulation successive (SC, pour successive cancellation, en anglais). Dans un deuxième temps, un nouvel algorithme de décodage à inversion est introduit, permettant une amélioration significative des performances par rapport à l’état de l’art pour une complexité moyenne réduite et proche de celle du simple décodeur SC. Finalement, la question de l’utilisation des codes polaires avec les modulations d’ordre supérieur est abordée. Tout d’abord, les deux principales approches de modulations codées utilisant un code binaire, à savoir la modulation à entrelacement de bit et la modulation multi-niveaux, sont considérées, et il est mis en évidence le net avantage de la deuxième citée. Par suite, l’utilisation de codes polaires non-binaires est envisagée et il est montré qu’au prix d’une complexité de décodage supérieure, ceux-ci sont en mesure de surpasser leurs homologues binaires.In a world of intensive and widespread numeric datafow, the use of error correcting codes has become an essential aspect of telecommunication systems, by allowing to compensate the unavoidable alteration of the messages during the transmission, by means of additionnal redundancy to the initial message. Last family of codes to be discovered, in 2008, polar codes have soon experienced a large interest of the community, due to their ability to achieve the Shannon capacity, namely the theoretical limit of the information rate, defned by Shannon in 1948. Very recently, these codes have been adopted in the fifth generation of cellular mobile communications 5G. This thesis concentrates on the analysis of this family of codes regarding constraints of practical systems, including in 5G, through the two major isues of the construction of the code and the decoding in finite length.After reviewing the definition and the caracterisation of polar codes, and addressing the question of the spectrum distance, this thesis considers the issue of the flexibility of the codes as function of the codelength, using either puncturing or shortening techniques, andd escribes a new method to select the pattern so as to minimize the error rate under succssive cancellation decoding (SC). Secondly, a new bit-fipping decoding algorithm is proposed, improving signifcantly the performance compared to state-of-the-art approach,while offering a reduced average complexity, which stays close to the one of the SC decoder. Thirdly, the issue of the use of polar codes with high order modulation is considered. On the one hand, the case of coded modulations, where a high order modulation is combined with binary codes, is considered throughthe bit-interleaved coded modulation and the multilevel coded modulation, and it is shown that the second one is very well suitable for polar codes. On the other hand, the case of non-binary codes, which can be mapped directly to the constellation, are considered and it is revealed they are able to surpass their binary counterpart at the cost of additionnal decoding complexity
Synchronozation en frequence pour l'allocation de porteuses des systemes ofdma en liaison montante
No full textLa mise en œuvre de systèmes basés OFDMA nécessite une synchronisation de la fréquence très fine en raison de l'extrême sensibilité de l'OFDMA aux décalages en fréquence porteuse (CFO). La synchronisation en fréquence devient plus difficile dans les systèmes OFDMA en liaison montante. Nos objectifs comprennent l'étude et l'analyse des problèmes résultant de décalages de fréquence et la proposition de solutions pour lutter contre ces problèmes. Nous examinons d'abord les interférences résultant de décalages de fréquence porteuse présents dans l'oscillateur du terminal utilisateur. Nous démontrons que l'on doit prendre en compte le préfixe cyclique tout en analysant les interférences résultant du CFO. Ensuite, nous montrons qu'il existe une contradiction entre la diversité de fréquence de canal et la robustesse contre le CFO. Nous proposons un compromis sous la forme d'une taille de bloc de seuil, afin de permettre un bon compromis entre la diversité des canaux et de robustesse pour les CFO pour le cas où aucune connaissances du canal n'est disponible. Quand le canal est connu, nous proposons une allocation optimale par bloc grâce à laquelle la robustesse aux CFO et à la diversité de fréquence de canal peut être réalisée en utilisant une petite taille de bloc petit pour des CFO de petite valeur. Nous proposons également une valeur CFO critique, en dessous de laquelle l'allocation optimal par bloc est très performant.Ensuite, nous proposons des solutions pour deux problèmes importants rencontrés dans un système OFDMA en liaison montante.Premièrement, nous proposons une méthode efficace pour l'estimation conjointe des réponses impulsionnelles des canaux et fréquences porteuses basée sur l'approximation polynomiale.Notre méthode d'estimation conjointe est plus simple que les méthodes existantes, sans aucune dégradation de performance. Ensuite, nous proposons une méthode de compensation de CFO basée sur l'annulation des interférences successives (SIC). La méthode d'annulation proposée réduit la complexité de mise en oeuvre quand le nombre de porteuses est important.One of the most prominent issues in the design and implementation of OFDMA based systems is the need for a very fine frequency synchronization due to the fact that OFDMA, like OFDM, is extremely sensitive to carrier frequency offsets (CFO). The task of frequency synchronization becomes more challenging in the uplink OFDMA-based systems where one OFDMA symbol is generated by the contribution of many different users. Our goals include the study and analysis of problems resulting from frequency mismatches provide solution to combat these problems. We first look at the interference resulting from CFOs, resulting from user terminal oscillator mismatch. We demonstrate that one must take into account the cyclic prefix while analyzing interference resulting from CFO. A new analytical expression of the ICI that takes into account the effect of CFO on the cyclic prefix is proposed. Then we focus our attention on analysis of the trade-off between channel frequency diversity and robustness against CFO and show that there exists a contradiction between the two. We propose a trade-off in the form of a Threshold blocksize, to allow a good compromise between the channel diversity and robustness for CFO for the case when no CSI is available. For system where CSI is available, we propose an optimal block carrier allocation scheme through which both robustness to CFO and channel frequency diversity can be achieved with small blocksize for small CFO. We also propose a Critical CFO value, above which the performance of the optimal block carrier allocation loses interest.Next we propose solutions for two important issues encountered in an uplink OFDMA system. First, we propose an efficient method for joint estimation of channel impulse responses and carrier frequency at the receiver based on polynomial approximation. Our proposed joint estimation method is simpler than the existing methods without any performance degradation. Next we propose a CFO compensation method based on successive interference cancellation. The proposed cancellation method reduces the implementation complexity faced in case of large DFT matrices
Online power allocation in a dynamic and umpredictable iot network
No full textL’Internet des Objets (IoT) est envisagé pour interconnecter des objets communicants et autonomes au sein du même réseau, qui peut être le réseau Internet ou un réseau de communication sans fil. Les objets autonomes qui composent les réseaux IoT possèdent des caractéristiques très différentes, que ce soit en terme d’application, de connectivité, de puissance de calcul, de mobilité ou encore de consommation de puissance. Le fait que tant d’objets hétérogènes partagent un même réseau soulève de nombreux défis tels que : l’identification des objets, l’efficacité énergétique, le contrôle des interférences du réseau, la latence ou encore la fiabilité des communications. La densification du réseau couplée à la limitation des ressources spectrales (partagées entre les objets) et à l’efficacité énergétique obligent les objets à optimiser l’utilisation des ressources fréquentielles et de puissance de transmission. De plus, la mobilité des objets au sein du réseau ainsi que la grande variabilité de leur comportement changent la dynamique du réseau qui devient imprévisible. Dans ce contexte, il devient difficile pour les objets d’utiliser des algorithmes d’allocation de ressources classiques, qui se basent sur une connaissance parfaite ou statistique du réseau. Afin de transmettre de manière efficace, il est impératif de développer de nouveaux algorithmes d’allocation de ressources qui sont en mesure de s’adapter aux évolutions du réseau. Pour cela, nous allons utiliser des outils d’optimisation en ligne et des techniques d’apprentissage. Dans ce cadre nous allons exploiter la notion du regret qui permet de comparer l’efficacité d’une allocation de puissance dynamique à la meilleure allocation de puissance fixe calculée à posteriori. Nous allons aussi utiliser la notion de non-regret qui garantit que l’allocation de puissance dynamique donne des résultats asymptotiquement optimaux . Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur le problème de minimisation de puissance sous contrainte de débit. Ce type de problème permet de garantir une certaine efficacité énergétique tout en assurant une qualité de service minimale des communications. De plus, nous considérons des réseaux de type IoT et ne faisons donc aucune hypothèse quant aux évolutions du réseau. Un des objectifs majeurs de cette thèse est la réduction de la quantité d’information nécessaire à la détermination de l’allocation de puissance dynamique. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé des algorithmes inspirés du problème du bandit manchot, problème classique de l’apprentissage statistique. Nous avons montré que ces algorithmes sont efficaces en terme du regret lorsque l’objet a accès à un vecteur, le gradient ou l’estimateur non-biaisé du gradient, comme feedback d’information. Afin de réduire d’avantage la quantité d’information reçue par l’objet, nous avons proposé une méthode de construction d’un estimateur du gradient basé uniquement sur une information scalaire. En utilisant cet estimateur nous avons présenté un algorithme efficace d’allocation de puissance.One of the key challenges in Internet of Things (IoT) networks is to connect numerous, heterogeneous andautonomous devices. These devices have different types of characteristics in terms of: application, computational power, connectivity, mobility or power consumption. These characteristics give rise to challenges concerning resource allocation such as: a) these devices operate in a highly dynamic and unpredictable environments; b) the lack of sufficient information at the device end; c) the interference control due to the large number of devices in the network. The fact that the network is highly dynamic and unpredictable implies that existing solutions for resource allocation are no longer relevant because classical solutions require a perfect or statistical knowledge of the network. To address these issues, we use tools from online optimization and machine learning. In the online optimization framework, the device only needs to have strictly causal information to define its online policy. In order to evaluate the performance of a given online policy, the most commonly used notion is that of the regret, which compares its performance in terms of loss with a benchmark policy, i.e., the best fixed strategy computed in hindsight. Otherwise stated, the regret measures the performance gap between an online policy and the best mean optimal solution over a fixed horizon. In this thesis, we focus on an online power minimization problem under rate constraints in a dynamic IoT network. To address this issue, we propose a regret-based formulation that accounts for arbitrary network dynamics, using techniques used to solve the multi-armed bandit problem. This allows us to derive an online power allocation policy which is provably capable of adapting to such changes, while relying solely on strictly causal feedback. In so doing, we identify an important tradeoff between the amount of feedback available at the transmitter side and the resulting system performance. We first study the case in which the device has access to a vector, either the gradient or an unbiased estimated of the gradient, as information feedback. To limit the feedback exchange in the network our goal is to reduce it as mush as possible. Therefore, we study the case in which the device has access to only a loss-based information (scalar feedback). In this case, we propose a second online algorithm to determine an efficient and adaptative power allocation policy
Spectrum-sharing under interference constraints
No full textLe spectre électromagnétique est une ressource naturelle dont l'usage doit être optimisé. Un grand nombre de travaux actuels visent à améliorer l'utilisation des fréquences radio en y introduisant un degré de flexibilité rendu possible par l'agilité en forme d'onde et en fréquence permise par la radio logicielle (SDR), ainsi que par les méthodes de traitement intelligent du signal (radio cognitive). Cette thèse se place dans ce contexte. Concrètement, nous considérons le problème de partage du spectre électromagnétique entre plusieurs utilisateurs sous contraintes d'interférence mutuelle. Notre objectif est de contribuer à l'évaluation du gain du partage de cette ressource rare qu'est le spectre électromagnétique. En étudiant le canal gaussien d'interférence avec l'interférence traitée comme du bruit additif gaussien aux différents récepteurs, nous avons trouvé une description géométrique et plusieurs caractérisations de la région des débits atteignables. Ensuite, considérant un cas plus réaliste où chaque utilisateur a une certaine qualité de service, nous avons trouvé une condition nécessaire et suffisante pour permettre la communication simultanée à travers le canal gaussien d'interférence pour deux utilisateurs. Dans un scénario de partage entre un utilisateur primaire ayant une plus grande priorité d'accès au spectre et un utilisateur secondaire, après avoir déterminé des bornes minimales pour le débit du primaire en fonction du schéma d'allocation de puissance de l'utilisateur secondaire, nous avons proposé une technique originale d'allocation de puissance pour l'utilisateur secondaire accédant de manière opportuniste au spectre sous contraintes de performance de coupure pour tous les utilisateurs. En particulier, cette technique d'allocation de puissance n'utilise que l'information sur l'état des canaux des liens directs allant de l'émetteur secondaire vers les autres points du réseau. Finalement, considérant des modèles de canaux plus réalistes; après avoir montré l'existence d'une zone d'exclusion autour du récepteur primaire (zone où il n'y a aucun transmetteur secondaire, dans le but de protéger l'utilisateur primaire contre les fortes interférences), nous avons caractérisé l'effet du shadowing et du path-loss sur cette zone d'exclusion du primaire.In this thesis, we address the problem of spectrum-sharing for wireless communication where multiple users attempt to access a common spectrum resource under mutual interference constraints. Our objective is to evaluate the gains of sharing by investigating different scenarios of spectrum access. Studying the Gaussian Interference Channel with interferences considered as noise, we found a geometrical description and several characteristics of the achievable rate region. Considering a more realistic scenario, with each user having a certain QoS, we found necessary and sufficient condition to be fulfilled for simultaneous communication over the two-user Gaussian Interference Channel. Furthermore, we proposed two lower bounds for a single-primary-user mean rate, depending on the secondary user power control scheme. Specially, we investigated an original power control policy, for a secondary user, under outage performance requirement for both users and partial knowledge of the channel state information. Finally, considering a spectrums-haring with a licensee or primary user and several secondary or cognitive users, we showed the existence of an exclusive region around the primary receiver and we characterized the effects of shadowing and path-loss on this exclusive region (or no-talk zone)
Error-control codes and coded modulations for the optical fiber communication
No full textLes câbles de communication optique transcontinentale constituent un maillon essentiel dans les communications modernes. Ils permettent de faire transiter des volumes importants de données à grande distance, tout en induisant une faible latence de transmission. L'amélioration de leurs performances est un enjeu pour la société d'aujourd'hui, la société numérique et connectée. Les précédentes évolutions de la communication optique ont été majoritairement liées à l'amélioration en termes du traitement du signal, comme par exemple le multiplexage par division de polarisation, qui a pratiquement multiplié par dix le débit de transmission. Le moment est venu de revoir la conception des codes correcteurs et des modulations numériques dans la chaine de communication optique.L'objectif de cette thèse est d'étudier la conception des codes correcteurs et des modulations codées pour la transmission optique tout en s'appuyant sur le concept des codes en graphes sur GF(q), q=2^m. L'originalité de notre approche par rapport à l'état de l'art se trouve dans le fait qu'on se positionnera sur les tailles des alphabets modérées, notamment GF(4) et GF(8), ce qui nous permettrait, sans grande augmentation de complexité, de s'approcher de la capacité de canal et de réduire la taille de l'entrelaceur entre le démodulateur et le décodeur.Le travail effectué se résume en trois contributions principales. La première contribution concerne le schéma de Symbol Interleaved Coded Modulation (SICM) basée sur les modulations de type M-QAM: il est démontré que la QAM-SICM avec q>2 se comporte mieux que la Bit Interleaved Coded Modulation (BICM) et que, dans le cas de q=√M, la SICM atteint la capacité du canal AWGN.La deuxième contribution concerne les codes LDPC réguliers sur GF(q) utilisés dans le schéma QAM-SICM : pour les rendements de code élevés, les codes LDPC 3-réguliers avec des valeurs modérées de q offrent des meilleurs performances que les autres codes LDPC réguliers, considérés dans le cadre de la transmission optique. Finalement, la troisième contribution réside dans la construction d'une nouvelle famille des codes LDPC doublement généralisées sur GF(q), appelés les codes RPP (Repeatition-Parity-Parity), efficaces pour des rendement de code élevés à la fois en terme du seuil asymptotique et de la distance minimale.Transcontinental optical-fiber communication cables play an essential role in data net-working. They enable to transmit huge amount of data at large distances, while respect-ing low-latency transmission constraints. Their design upgrade is an important challenge,given that the optical networks are the backbone of modern Internet. The main evolutionin the optical-fiber transmission in the past has been mainly related to the improvement ofthe signal-processing part of the communication chain, for example the introduction of thepolarization division multiplexing technique has increased the transmission throughput bya factor of ten. Nowadays, it became relevant to reconsider the design of error-controland modulation parts of the optical communication chain.The main goal of this thesis is to investigate the design of error-control codes andcoded modulations for optical communication by using the concept of non-binary graphcodes over GF(q), q= 2^m. The novelty of the approach with respect to the state of artlies in the fact that we are going to consider the codes over moderate alphabet sizes such as GF(4) and GF(8). This would allow us to approach to the channel capacity and toreduce the size of the interleaver between the demodulator and the decoder, at cost of areasonable complexity growth.Our work has lead to three following contributions. The first contribution relates to thescheme of Symbol Interleaved Coded Modulation (SICM) based onM-QAM modulations:it has been demonstrated that the QAM-SICM scheme with q >2 behaves better thanthe traditional Bit Interleaved Coded Modulation (BICM), and that, in the case of q=√M,the SICM scheme achieves the AWGN capacity. The second contribution is focused onregular LDPC codes over GF(q) used within the QAM-SICM scheme: in the context ofhigh-rate codes, 3-regular LDPC codes with moderate values ofqoffer better Bit-ErrorRate (BER) performances than other regular LDPC codes, considered for optical trans-mission. Finally, the third contribution consists in a design of a new non-binary Doubly-Generalized LDPC (DG-LDPC) code family, called RPP (Repetition-Parity-Parity) codes,showing remarkable performances both in terms of the asymptotic decoding thresholdand average minimum, in the interval of high code rates
Hybrid-ARQ mechanisms in a radio-cognitive context.
No full textDans les standards actuels tels que HSDPA ou LTE, des protocoles de retransmissions (ARQ: Automatic Repeat reQuest) sont utilisés conjointement au codage de canal afin de palier aux erreurs dues à l'absence ou la mauvaise de connaissance de canal à la transmission. On garantit ainsi la fiabilité du lien physique pour les couches OSI supérieures (du moins un taux d'erreur paquet faible). De tels protocoles sont appelés protocoles de retransmission hybrides (HARQ). L'objet de cette thèse est de proposer des outils permettant l'analyse et l'optimisation des systèmes de communication en présences de protocoles HARQ avec une emphase particulière sur les systèmes cognitifs.Dans la première partie, nous étudierons un système point-à-point dans lequel trois différents protocoles HARQ adaptatifs seront considérés. Dans un premier temps, nous considérerons le régime asymptotique (i.e. codes optimaux gaussiens). Nous proposerons, dans ce cas, deux optimisations possibles : la minimisation de la puissance moyenne sous la contrainte de débit moyen et la maximisation du débit moyen sous une contrainte de puissance moyenne. Nous montrerons que les Processus de Décision Markoviens (MDP) sont des outils adaptés aux problèmes d'optimisation considérés.Dans les standards actuels tels que HSDPA ou LTE, des protocoles de retransmissions (ARQ: Automatic Repeat reQuest) sont utilisés conjointement au codage de canal afin de palier aux erreurs dues à l'absence ou la mauvaise de connaissance de canal à la transmission. On garantit ainsi la fiabilité du lien physique pour les couches OSI supérieures (du moins un taux d'erreur paquet faible). De tels protocoles sont appelés protocoles de retransmission hybrides (HARQ). L'objectif de cette thèse est de proposer des outils permettant l'analyse et l'optimisation des systèmes de communication en présences de protocoles HARQ avec une emphase particulière sur les systèmes cognitifs. La radio cognitive est une approche permettant à des utilisateurs non-licenciés de communiquer dans les mêmes bandes de fréquences que des utilisateurs licenciés afin d'augmenter l'efficacité spectrale des réseaux sans fil. Les utilisateurs secondaires doivent néanmoins limiter les interférences générées sur les signaux des utilisateurs primaires. Dans ce contexte, nous étudierons les débits atteignables par un utilisateur secondaire utilisant l'observation du protocole HARQ de l'utilisateur primaire afin de contrôler son interférence.Automatic Repeat Request protocols (ARQ) are widely implemented in current mobile wireless standards such as HSDPA and LTE. In general, ARQ protocols are combined with channel coding to overcome errors caused by the lack of channel knowledge at the transmitter side. These protocols are called Hybrid ARQ protocols (HARQ). HARQ protocols ensure a good reliability (at least a small packet error rate) of the physical layer for the OSI upper layers. The purpose of this thesis is to provide tools for the analysis and the optimization of HARQ communication systems with an emphasis on cognitive systems. Cognitive Radio (CR) is an approach aiming to increase the spectral efficiency of wireless networks. In a CR context, unlicensed users are allowed to communicate within the same frequency bands and at the same time as licensed users. Secondary users must however limit the amount of interference generated on the primary users signals. In this thesis, we consider a scenario in which the secondary user interferes a primary user employing a HARQ protocol. When the secondary user knows the state of the primary HARQ protocol, we show that a joint power and rate allocation can be performed to limit the interference
Study and Robustness of Filter Bank Multicarrier Modulation : FBMC
No full textLes systèmes multi-porteuses sont utilisés depuis longtemps, et dans de nombreux standards de communication tels qu'ADSL, DVB-T, WiMax et LTE.la modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est aujourd'hui la technologie dominante. Cependant, l'innovation qu'est l'agrégation de spectres permet aux systèmes de communication de mieux exploiter le spectre radio, aujourd'hui rare, cher et sous-utilisé.Les futures communications 5G devront trouver le moyen d'exploiter ce spectre fragmenté de manière aussi flexible que possible.Le standard PMR (Private Mobile Radio) fait face aux mêmes problèmes vis-à-vis de l'introduction de services large bande dans un spectre déja surchargé.Ces problématiques nécessitent des formes d'onde dont l'occupation spectrale est presque parfaite, afin de limiter au possible les bandes de garde entre différents utilisateurs. L'occupation spectrale d'OFDM n'est tout simplement pas assez bonne pour satisfaire ces impératifs. Parmi les nouvelles formes d'onde prises en considération dans ce cadre, les systèmes FBMC/OQAM (Filter Bank Multicarrier/Offset QAM) sont conçus de manière à fournir une bien meilleure occupation spectrale que les systèmes OFDM, avec un débit optimal, et sans le besoin d'ajouter un préfixe cyclique.Cependant, un des grands inconvénients des systèmes multi-porteuses tels qu'OFDM ou FBMC/OQAM est leur enveloppe non-constante. Les signaux générés présentent de nombreux pics de puissance élevée qui apparaissent quand les sous-porteuses modulées indépendamment puis sommées sont en phase les unes avec les autres.Cela fait que les signaux multi-porteuses sont très sensibles aux non-linéarités des composants électroniques des systèmes de communication, et tout particulièrement à celles de l'amplificateur de puissance (PA) à l'émission. Ces non-linéarités génèrent des distorsions en dedans et en dehors de la bande utile, ce qui crée des remontées spectrales qui viennent dégrader l'occupation spectrale des signaux.Le but de cette thèse est d'évaluer l'impact que le PA peut avoir sur les performances spectrales du signal FBMC/OQAM, et de réduire la sensibilité de la forme d'ondes à ces non-linéarités.Nous basons nos travaux sur des simulations Matlab et des mesures expérimentales, en utilisant le signal OFDM comme référence.Nous commençons par confirmer que le signal FBMC/OQAM a de meilleures performances spectrales que le signal OFDM. Puis nous quantifions l'effet des non-linéarités de l'amplificateur sur les deux signaux.Ensuite, nous proposons une méthode améliorée de contrôle de la dynamique de l'enveloppe du signal, basée sur une technique de précodage, qui a pour but de réduire la sensibilité du signal FBMC/OQAM aux non-linéarités, pour un coût de complexité modeste.Nous étudions les différents paramètres de cette méthode pour en déduire le paramétrage optimal.Enfin, nous présentons des simulations et des mesures de la capacité de cette méthode à réduire les remontées spectrales en dedans et en dehors de la bande utile quand le signal FBMC/OQAM subit les non-linéarités du PA.Multi-carrier systems are well established in many different communication standards such as ADSL, DVB-T, WiMax, and LTE.The dominant technology for broadband communications today is OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).However the introduction of frequency bands aggregation is allowing systems to deal with a spectrum that is scarce, expensive and underutilized.Future 5G communications must find a way to exploit this fragmented spectrum as flexibly as possible.Similar problems are present also for introducing future broadband PMR (Private Mobile Radio) standards in the already crowded PMR spectrum.This requires waveforms with almost perfect spectrum occupation in order to limit the guard frequency band between users.OFDM's spectral occupation is not good enough to fulfill these requirements.Among the considered waveform approaches, FBMC/OQAM (Filter Bank Multicarrier/Offset QAM) systems are designed to provide a much better spectral occupation than OFDM systems, with optimal data rate, and no need for a cyclic prefix.However, a major disadvantage of a multi-carrier system such as OFDM or FBMC/OQAM is the resulting non constant envelope with numerous high power peaks that appear when the independently modulated sub-carriers are added coherently.This results in a high sensitivity to the non-linearities of electronic components, especially to the PA (Power Amplifier).PA non-linearities generate distortions in-band and out-of band, creating spectral regrowth which degrades the spectral occupation of the signals at the transmitter.The aim of this thesis is to evaluate the impact of the PA on the FBMC/OQAM signal's spectral performances, and to reduce the waveform's sensitivity to those non-linearities.Through simulations and experimental measurements, using the OFDM signal as a basis for comparison, we first confirm FBMC/OQAM's better spectral occupation than OFDM, and then quantify the effect of the PA non-linearities on the FBMC/OQAM an OFDM signals.We then propose an improved precoding method for dynamic envelope control, which aims to reduce the FBMC/OQAM signal's sensitivity to PA non-linearities with limited additional complexity. We study the various parameters in order to provide the optimal parameter choice.Finally, we present simulations and measurements of the method's ability to reduce spectral regrowth in and out of band when the FBMC/OQAM signal is subjected to the PA nonlinearities
Strategic compression for multi-user Bayesian Persuasion
No full textDans les réseaux de communication décentralisés et orientés décision, les politiques de compression de l'information sont conçues pour satisfaire un objectif stratégique à long terme. Les codeurs sélectionnent des signaux afin de déclencher des actions préférées chez les décodeurs en contrôlant leurs environnements d'informations locaux. Désormais, la communication stratégique peut être naturellement étudiée à l'intersection de deux disciplines : la théorie de l'information, qui analyse les performances optimales des systèmes de communication, et la théorie des jeux, qui décrit le comportement des agents dans les interactions stratégiques.Formulé à l'origine sans restriction sur la quantité d'informations transmises, le jeu de persuasion Bayésienne modélise une communication stratégique entre un encodeur informé observant une variable de source et transmettant des signaux à un ou plusieurs décodeurs censés prendre des actions affectant la performance de l'encodeur. Avant d'observer la source, l'encodeur s'engage et annonce la stratégie d'encodage à mettre en œuvre. Tous les agents communicants sont supposés rationnels, et dotés d'objectifs variés capturés par des fonctions de coût distinctes et arbitraires.Dans cette thèse, nous considérons un grand nombre de copies indépendantes et identiquement distribuées (i.i.d.) du jeu de persuasion Bayésienne, sous contraintes d'information. En raison des restrictions imposées à la communication, il n'y a pas assez de messages disponibles pour transmettre la source. Nous devons donc envisager le codage par blocs au lieu du codage ponctuel. Ce modèle généralise le problème de codage source avec perte de Shannon, où les agents coopèrent pleinement pour obtenir une transmission d'informations véridique et fiable qui minimise leurs mesures de distortion alignées, au scénario non-coopératif dans lequel les joueurs ne partagent pas nécessairement un objectif commun, mais sélectionnent les stratégies de codage qui minimisent leurs fonctions de coût respectives et non alignées.Nous étudions le problème de communication stratégique dans trois scénarios différents. Premièrement, nous considérons la configuration de codage par raffinement successif dans laquelle un seul encodeur communique un message public à deux décodeurs, et un message privé à un seul décodeur d'entre eux. Lors de la réception du message, chaque décodeur dessine la suite d'action qui minimise sa fonction de coût à long terme. Deuxièmement, nous considérons le réseau de communication Gray-Wyner, avec un seul encodeur et deux décodeurs, dont le coût de l'un dépend de l'action de l'autre, et chacun observant un signal public et un signal privé. Dans ce cadre, chaque engagement du codeur induit un jeu Bayésien entre les décodeurs qui admet des équilibres Bayes-Nash parfaits.Troisièmement, nous combinons le modèle de persuasion Bayésienne avec le réseau de description multiple en cascade, où l'information est transmise de l'encodeur au décodeur via un relais. Dans chacun de ces cas, nous étudions les limites théoriques de l'information de la communication stratégique et décrivons le comportement asymptotique de la fonction de coût à long terme optimale de l'encodeur.À l'aide de variables aléatoires auxiliaires, nous caractérisons la fonction de coût minimal du codeur soumise au schéma de compression optimal qui satisfait les contraintes imposées sur la quantité d'informations transmises, ainsi que les contraintes d'incitation des décodeurs.In decentralized, decision-oriented communication networks, information compression policies are designed to satisfy a long-term strategic goal. The encoders select signals in order to trigger preferred actions from the decoders by controlling their local information environments. Henceforth, strategic communication can be naturally studied at the intersection of two disciplines: Information Theory, which analyzes the optimal performance of communication systems, and Game Theory, which describes the behavior of agents in strategic interactions.Originally formulated with no restrictions on the amount of transmitted information, the Bayesian Persuasion game models a strategic communication between an informed encoder observing a source variable, and transmitting signals to one or many decoders who are supposed to take actions that affect the encoder's performance. Before observing the source, the encoder commits to, and announces the encoding strategy to be implemented. All communicating agents are assumed to be rational, and endowed with mismatched objectives captured by distinct and arbitrary cost functions.In this thesis, we consider a large number of independent and identically distributed (i.i.d.) copies of the one-shot Bayesian persuasion game, subject to information constraints. Because of the restrictions imposed on the communication, not enough messages are available to transmit the whole source. We need to consider block-coding instead of one-shot coding. This setting generalizes the lossy source coding problem of Shannon, where agents fully cooperate to achieve truthful and reliable information transmission that minimizes their aligned distortion measures, to the non-cooperative scenario in which players do not necessarily share a common objective, but select the coding strategies that minimize their respective non-aligned cost functions.We investigate the strategic communication problem in three different settings. First, we consider the Successive Refinement coding setup in which a single encoder communicates a public message to two decoders, and a private message to only one of them. Upon reception of the message from the encoder, each decoder draws the action sequence that minimizes its respective long-run cost functions. Second, we consider the Gray-Wyner communication Network, with a single encoder and two decoders, each observing a public and a private signal from the encoder, and are endowed with cost functions that depend on the actions of both decoders and the state.In this setting, each commitment of the encoder induces a Bayesian game among the decoders which admits perfect Bayes-Nash equilibria. Third, we combine the Bayesian Persuasion model with the Cascade Multiple Description Network, where information is transmitted from the encoder to the decoder through an interested relay. In each of these settings, we study the information-theoretic limits of strategic communication and describe the asymptotic behavior of the encoder's optimal long-run cost function.Using auxiliary random variables, we characterize the encoder's minimal single-letter cost function subject to the optimal compression scheme that satisfies the constraints imposed on the amount of information transmitted in each model, as well as the incentive constraints of the decoders
Joint optimization of transmitter linearization methods in multi-carrier modulations context
No full textLes modulations multiporteuses apparaissent aujourd'hui comme une technologie éprouvée pour la transmission de données à haut-débits sur des canaux pouvant être très perturbés. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a d'ailleurs été choisie dans plusieurs normes de télécommunications (ADSL, Wi-Max, IEEE 802.11a/g/n, LTE, DVB,...). Cependant un des inconvénients de ce type de modulation est la forte variation de la puissance instantanée à transmettre. Cette propriété rend ces modulations très sensibles aux non-linéarités des composants analogiques, en particulier celles de l'amplificateur de puissance à l'émission. Or l'amplificateur de puissance est un élément déterminant dans une chaîne de communication dans la mesure où il a une influence prépondérante sur le bilan global de la transmission en termes de puissance, de rendement et de distorsion. Plus l'on souhaite que l'impact de ses non linéarités soit faible et plus son rendement est faible, et inversement. Il est donc nécessaire d'effectuer un compromis linéarité/rendement.L'objectif de la thèse est d'éviter cette détérioration du rendement tout en conservant de bonnes performances de linéarité, de surcroit pour des signaux OFDM. Pour ce faire nous proposons d'utiliser conjointement des méthodes de linéarisation (prédistorsion numérique en bande de base) et d'amélioration du rendement (envelope tracking) de l'amplificateur de puissance ainsi qu'une méthode de réduction de la dynamique du signal (active constellation extension). La prédistorsion numérique classique échouant aux fortes puissances, nous proposons une méthode d'amélioration de cette technique à ces puissances. Nos résultats sont validés par des mesures sur un amplificateur de puissance 50W. Nous proposons également une association des méthodes permettant d'améliorer simultanément les performances en terme de linéarité hors bande et de rendement en minimisant les dégradations des performances de taux d'erreur binaire.Multi-carrier modulations appear as a well-tried technology for high-speed data transmission on potentially disrupted channels. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) has been chosen for that matter in several telecommunication standards (ADSL, Wi-Max, IEEE 802.11a/g/n, LTE, DVB,...). However one of the drawbacks of this modulation type is its high variation of the instantaneous power to transmit. This property makes these modulations very sensitive to the non-linearities of analog components, especially those related to power amplifiers. Yet the power amplifiers are critical elements in the communication chain as they have a major influence on the global assessment in terms of power, efficiency and distortion. More we want its non linearity impact is weak, more its efficiency is weak too. It is therefore necessary to make a trade-off between linearity and efficiency.The purpose of the thesis is to avoid this efficiency damage keeping at the same time the good linearity performance, moreover for OFDM signals. In this way we propose to jointly use a linearization technique (the base band digital predistortion) and a technique of efficiency improvement (the envelope tracking) for the power amplifier, together with a technique of signal dynamic reduction (the active constellation extension). The classic predistortion failing for high powers, we propose an improvement of this technique for these powers. Our results are validated by measurements on a 50W power amplifier. We also propose an association of the techniques allowing an improvement of the performance in terms of out-of-band linearity and efficiency, with smallbit error rate damages
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