Resource allocation and performance metrics analysis in cooperative cellular networks

Allocation de ressource et analyse des critères de performance dans les réseaux cellulaires coopératifs Dans les systèmes de communications sans fil, la transmission de grandes quantités d'information et à faible coût énergétique sont les deux principales questions qui n'ont jamais cessé d'attirer l'attention de la communauté scientifique au cours de la dernière décennie. Récemment, il a été démontré que la communication coopérative est une technique intéressante notamment parce qu'elle permet d'exploiter la diversité spatiale dans le canal sans fil. Cette technique assure une communication robuste et fiable, une meilleure qualité de service (QoS) et rend le concept de coopération prometteur pour les futurs générations de systèmes cellulaires. Typiquement, les QoS sont le taux d'erreurs paquet, le débit et le délai. Ces métriques sont impactées par le délai, induit par les mécanismes de retransmission Hybrid-Automatic Repeat-Request (HARQ) inhérents à la réception d'un paquet erroné et qui a un retard sur la QoS demandée. En revanche, les mécanismes HARQ créent une diversité temporelle. Par conséquent, l'adoption conjointe de la communication coopérative et des protocoles HARQ pourrait s'avérer avantageux pour la conception de schémas cross-layer. Nous proposons tout d'abord une stratégie de maximisation de débit total dans un réseau cellulaire hétérogène. Nous introduisons un algorithme qui alloue la puissance optimale à la station de base (BS) et aux relais, qui à chaque utilisateur attribue de manière optimale les sous-porteuses et les relais. Nous calculons le débit maximal atteignable ainsi que le taux d'utilisateurs sans ressources dans le réseau lorsque le nombre d'utilisateurs actifs varie. Nous comparons les performances de notre algorithme à ceux de la littérature existante, et montrons qu'un gain significatif est atteint sur la capacité globale. Dans un second temps, nous analysons théoriquement le taux d'erreurs paquet, le délai ainsi que l'efficacité de débit des réseaux HARQ coopératifs, dans le canal à évanouissements par blocs. Dans le cas des canaux à évanouissement lents, le délai moyen du mécanisme HARQ n'est pas pertinent à cause de la non-ergodicité du processus. Ainsi, nous nous intéressons plutôt à la probabilité de coupure de délai en présence d'évanouissements lents. La probabilité de coupure de délai est de première importance pour les applications sensibles au délai. Nous proposons une forme analytique de la probabilité de coupure permettant de se passer de longues simulations. Dans la suite de notre travail, nous analysons théoriquement l'efficacité énergétique (bits/joule) dans les réseaux HARQ coopératifs. Nous résolvons ensuite un problème de minimisation de l'énergie dans les réseaux coopératifs en liaison descendante. Dans ce problème, chaque utilisateur possède une contrainte de délai moyen à satisfaire de telle sorte que la contrainte sur la puissance totale du système soit respectée. L'algorithme de minimisation permet d'attribuer à chaque utilisateur la station-relai optimale et sa puissance ainsi que la puissance optimale de la BS afin de satisfaire les contraintes de délai. Les simulations montrent qu'en termes de consommation d'énergie, les techniques assistées par relais prédominent nettement les transmissions directes, dans tout système limité en délai. En conclusion, les travaux proposés dans cette thèse peuvent promettre d'établir des règles fiables pour l'ingénierie et la conception des futures générations de systèmes cellulaires énergétiquement efficaces.