FR3110309A1

FR3110309A1 - Procédé et système OMAMRC de transmission avec variation du nombre d’utilisations du canal

Info

Publication number: FR3110309A1
Application number: FR2004643A
Authority: FR
Inventors: Raphaël Visoz; Ali AL KHANSA; Stefan Cerovic
Original assignee: Orange SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-11-19
Also published as: WO2021229183A1; EP4150808A1; US20230261812A1; US12432019B2

Abstract

Procédé et système OMAMRC de transmission avec variation du nombre d’utilisations du canal La présente invention se rapporte à un procédé de transmission avec adaptation lente de lien destiné à un système de télécommunication OMAMRC à sources ( ), éventuellement relais et une destination, , . Un nombre d’utilisations du canal est alloué à chaque source pour transmettre et ce nombre est déterminé par la destination lors de l’adaptation lente de lien pour chaque source sur la base d’une connaissance statistique de tous les canaux. Figure pour l'abrégé : Fig.2

Description

Procédé et système OMAMRC de transmission avec variation du nombre d’utilisations du canal

Domaine de l’invention

La présente invention se rapporte au domaine des communications numériques. Au sein de ce domaine, l'invention se rapporte plus particulièrement à la transmission de données codées entre au moins deux sources et une destination avec relayage par au moins deux nœuds pouvant être des relais ou des sources.

Il est entendu qu’un relais n’a pas de message à transmettre. Un relais est un nœud dédié au relayage des messages des sources tandis qu’une source à son propre message à transmettre et peut en outre dans certain cas relayer les messages des autres sources i.e. la source est dite coopérative dans ce cas.

Il existe de nombreuses techniques de relayage connues sous leur appellation anglo-saxonne : « amplify and forward », « decode and forward », « compress-and-forward », « non-orthogonal amplify and forward », « dynamic decode and forward », etc.

L’invention s’applique notamment, mais non exclusivement, à la transmission de données via des réseaux mobiles, par exemple pour des applications temps réel, ou via par exemple des réseaux de capteurs.

Un tel réseau de capteurs est un réseau multi-utilisateurs, constitué de plusieurs sources, plusieurs relais et un destinataire utilisant un schéma d’accès multiple orthogonal en temps du canal de transmission entre les relais et la destination, noté OMAMRC (« Orthogonal Multiple-Access Multiple-Relay Channel »selon la terminologie anglosaxonne).

Art antérieur

Un système de transmission OMAMRC mettant en œuvre une adaptation lente de lien est connu de la demande WO 2019/162592 publiée le 29 août 2019. Le contenu de cette demande est inclus par référence.

Un système de télécommunication OMAMRC a sources, éventuellement relais et une destination, , et un schéma d’accès multiple orthogonal en temps du canal de transmission qui s’applique entre les nœuds pris parmi les sources et les relais. Le nombre maximum d’intervalles de temps par trame transmise est de avec intervalles alloués pendant une première phase à la transmission successive des sources et intervalles pour une ou plusieurs transmissions coopératives alloués pendant une deuxième phase à un ou plusieurs nœuds sélectionnés par la destination selon une stratégie de sélection.

Le système de transmission OMAMRC considéré comprend au moins deux sources chacune de ces sources pouvant fonctionner à des instants différents soit comme une source, soit comme un nœud de relayage. Le système peut éventuellement comprendre en outre des relais. La terminologie nœud couvre aussi bien un relais qu’une source agissant comme un nœud de relayage ou comme une source. Le système considéré est tel que les sources peuvent elle-même être des relais. Un relais se distingue d’une source car il n’a pas de message à transmettre qui lui soit propre i.e. il ne fait que retransmettre des messages provenant d’autres nœuds.

Les liens entre les différents nœuds du système sont sujets à des évanouissements lents (slow fading) et à du bruit blanc Gaussien. La connaissance de tous les liens du système (CSI : Channel State Information) par la destination n’est pas disponible. En effet, les liens entre les sources, entre les relais, entre les relais et les sources ne sont pas directement observables par la destination et leur connaissance par la destination nécessiterait un échange d’information trop important entre les sources, les relais et la destination. Pour limiter le coût de la surcharge de la voie de retour (feedback overhead), seule une information sur la distribution/statistique des canaux (CDI : Channel Distribution Information) de tous les liens, e.g. qualité moyenne (par exemple SNR moyen, SINR moyen) de tous les liens, est supposée connue par la destination dans le but de déterminer les débits alloués aux sources.

L’adaptation de lien est de type lent c’est-à-dire qu’avant toute transmission, la destination alloue des débits initiaux aux sources connaissant la distribution de tous les canaux (CDI: Channel Distribution Information). En général, il est possible de remonter à la distribution CDI sur la base de la connaissance du SNR ou SINR moyen de chaque lien du système.

Les transmissions des messages des sources sont divisées en trames pendant lesquelles les CSI des liens sont supposés constants (hypothèse d’évanouissements lents). L’allocation de débit est supposée ne pas changer pendant plusieurs centaines de trames, elle change uniquement avec les changements de CDI.

Le procédé distingue trois phases, une phase initiale et, pour chaque trame à transmettre, une 1^èrephase et une 2^ndephase. La transmission d’une trame se déroule en deux phases qui sont éventuellement précédées d’une phase additionnelle dite initiale.

Lors de la phase d’initialisation, la destination détermine un débit initial pour chaque source en prenant en compte la qualité (par exemple SNR) moyenne de chacun des liens du système.

La destination estime la qualité (par exemple SNR) des liens directs : source vers destination et relais vers destination selon des techniques connues basées sur l’exploitation de signaux de référence. La qualité des liens source – source, relais – relais et source – relais est estimée par les sources et les relais en exploitant par exemple les signaux de référence. Les sources et les relais transmettent à la destination les qualités moyennes des liens. Cette transmission intervient avant la phase d’initialisation. Seule la valeur moyenne de la qualité d’un lien étant prise en compte, son rafraîchissement intervient à une échelle de temps longue c’est-à-dire sur un temps qui permet de moyenner les variations rapides (fast fading) du canal. Ce temps est de l’ordre du temps nécessaire pour parcourir plusieurs dizaines de longueur d’onde de la fréquence du signal transmis pour une vitesse donnée. La phase d’initialisation intervient par exemple toutes les 200 à 1000 trames. La destination remonte aux sources via une voie de retour les débits initiaux qu’elle a déterminés. Les débits initiaux restent constants entre deux occurrences de la phase d’initialisation.

Lors de la première phase, les sources transmettent successivement leur message pendant les intervalles de temps (time-slots) en utilisant respectivement des schémas de modulation et de codage déterminés à partir des débits initiaux. Pendant cette phase, le nombre d’utilisations du canal (channel use i.e. ressource element selon la terminologie du 3GPP) est fixe et identique pour chacune des sources.

Lors de la 2^ndephase, les messages des sources sont transmis de façon coopérative par les relais et/ou par les sources. Cette phase dure au maximum intervalles de temps (time-slots). Pendant cette phase, le nombre d’utilisations du canal (channel use) est fixe et identique pour chacune des sources.

Les sources indépendantes entre elles diffusent pendant la première phase leurs séquences d'informations codées sous forme de messages à l'attention d’un seul destinataire. Chaque source diffuse ses messages avec le débit initial. La destination communique à chaque source son débit initial via des canaux de contrôle à débit très limité. Ainsi, pendant la première phase, les sources transmettent chacune à leur tour leur message respectif pendant des intervalles de temps « time-slot » dédiés chacun à une source.

Les sources autres que celle qui émet et éventuellement les relais, de type« Half Duplex »reçoivent les messages successifs des sources, les décodent et, s’ils sont sélectionnés, génèrent un message uniquement à partir des messages des sources décodés sans erreur.

Les nœuds sélectionnés accèdent ensuite au canal de manière orthogonale en temps entre eux pendant la seconde phase pour transmettre leur message généré vers la destination.

La destination peut choisir quel nœud doit transmettre à un instant donné.

Le procédé met en œuvre une stratégie pour maximiser l’efficacité spectrale moyenne (métrique d’utilité) au sein du système considéré sous-contrainte de respecter une qualité de service individuelle (QoS) par source i.e. un BLER individuel moyen par source :

Où

représente le débit initial de la source avec le nombre de bits d’information du message de la source . est une variable qui prend des valeurs discrètes prises dans un jeu fini avec le nombre de débits correspondant aux différents schémas de codage et de modulation (MCS, Modulation and Coding Scheme) disponibles pour la transmission.

présente le nombre de retransmissions utilisées pendant la 2^ndephase, est la moyenne du nombre de retransmissions utilisées pendant la seconde phase
est le rapport entre le nombre d’utilisations du canal pendant la seconde phase et le nombre d’utilisations du canal pendant la première phase
représente le taux d’erreur bloc pour la source . dénote la fonction à variables multiples qui dépend de la valeur actuelle prise par les variables de débit .

La contrainte de QoS sur le BLER individuel donné par source s’écrit : . Un algorithme basé sur une approche sans interférence ou « Genie Aided » est utilisé pour résoudre le problème d’optimisation d’allocation multidimensionnelle de débit (rate). Cette approche consiste à déterminer indépendamment chaque débit initial d’une source en supposant que tous les messages des autres sources sont connus de la destination et des relais puis à déterminer de manière itérative les débits en initialisant leur valeur avec les valeurs déterminées selon l’approche « Genie Aided ». La métrique d’utilité qui consiste en une efficacité spectrale est conditionnée à la stratégie de sélection des nœuds qui intervient pendant la deuxième phase.

Caractéristiques principales de l’invention

La présente invention a pour objet un procédé de transmission avec adaptation lente de lien pour un système de télécommunication OMAMRC selon lequel le nombre d’utilisations du canal est déterminé par la destination pour chaque source i.e. par intervalle de temps, sur la base d’une connaissance de la distribution statistique de tous les canaux (Channel Distribution Information selon la terminologie anglosaxonne).

En introduisant un nombre variable d’utilisations du canal, avec adaptation lente contrôlée par la destination, contrairement au procédé connu pour lequel ce nombre est fixe, la présente invention améliore substantiellement les performances du procédé.

Pour simplifier le procédé, seul le nombre d’utilisations du canal pour la première phase est variable, le nombre d’utilisations du canal pour la seconde phase est fixe.

Le nombre d’utilisations du canal par une source pour la première phase peut ainsi être adapté en tenant compte de la distribution des canaux CDI.

La distribution des canaux CDI peut être basée par exemple sur la connaissance d’un SNR moyen (ou SINR, ou indicateur équivalent) de chacun des canaux sous-réserve de considérer que tous les liens sont indépendants entre eux et que l’évanouissement rapide (fast fading) suit une distribution gaussienne i.e. un évanouissement dit de Rayleigh. A partir de la connaissance des SNR moyens, la destination vise à optimiser le rapport conjointement avec le débit de transmission par la source durant la première phasei.

Lors de la seconde phase, la destination sélectionne à chaque intervalle de temps le nœud parmi les sources et les relais qui va transmettre en utilisant les utilisations du canal.

L’adaptation lente de lien mise en œuvre par la destination tend à maximiser la métrique d’utilité moyenne modifiée par l’introduction du rapport . Cette métrique est ainsi une fonction à variables multiples qui dépend de la valeur actuelle prise par les variables de débit et par les variables du rapport entre le nombre d’utilisations du canal pendant la seconde phase et le nombre d’utilisations du canal pendant la première phase :

Selon un mode de réalisation, les utilisations du canal consistant en des ressources temporelles et/ou fréquentielles, une variation du nombre d’utilisations du canal consiste en une variation du nombre de ressources allouées à chaque source qui tient compte des qualités moyennes des canaux.

Selon un mode de réalisation, la métrique d’utilité moyenne prend en compte rapports qui sont considérés être de valeurs discrètes et appartenant à un jeu fini de valeurs possibles.

Selon un mode de réalisation, les valeurs d’un rapport d’utilisations du canal entre les deux phases déterminé pour chaque source appartiennent à un jeu fini de valeurs discrètes, de préférence . Le procédé effectue une maximisation de la métrique d’utilité moyenne avec une initialisation du rapport pour chaque source à la valeur discrète la plus proche d’une moyenne des valeurs du rapport dénotée et en mettant en œuvre une approche « Genie Aided ».

L’approche « Genie Aided » qui consiste à déterminer indépendamment chaque débit d’une source, en supposant que tous les messages des autres sources sont connus de la destination et en supposant un rapport égale à (ou encore pour chaque source, conduit à des valeurs de débit initial pour chaque source qui ne sont pas suffisamment précises.

Selon un mode de réalisation, un calcul itératif des débits initiaux par la destination permet de corriger ces valeurs initiales de débit en prenant en compte la stratégie de sélection qui intervient pendant la deuxième phase ce que ne peut pas par nature l’approche « Genie Aided » seule qui suppose que le nœud actif pour chaque intervalle de temps de la deuxième phase est choisi aléatoirement parmi les nœuds. Ce mode est avantageux en ce qu’il permet d’utiliser une approche « Genie Aided » pour l’initialisation de l’algorithme itératif.

Selon un mode de réalisation, la transmission coopérative d’un nœud lors de la seconde phase se traduit en l’émission d’une redondance basée sur un codage incrémental aux sources.

Selon un mode de réalisation, la stratégie de sélection des nœuds intervenant pendant la deuxième phase suit une séquence connue à l’avance par tous les nœuds.

Selon un mode de réalisation, le calcul itératif des débits initiaux prend en compte une stratégie de sélection des nœuds (stratégie avec sélection aléatoire, stratégie avec sélection cyclique, etc).

Selon un mode de réalisation, la stratégie de sélection des nœuds intervenant pendant la deuxième phase prend en compte une information provenant des nœuds indiquant leur jeu de sources correctement décodées.

Selon un mode de réalisation, la stratégie de sélection des nœuds intervenant pendant la deuxième phase correspond à chaque intervalle de temps à la sélection du nœud qui a décodé correctement au moins une source que la destination n’a pas décodée correctement à l’issue de l’intervalle de temps précédent et qui bénéficie de la meilleure qualité instantanée parmi les qualités instantanées de tous les liens entre les nœuds et la destination.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le procédé de transmission des messages résulte d’une application logicielle découpée en plusieurs applications logicielles spécifiques mémorisées dans les sources, dans la destination et éventuellement dans les relais. La destination peut être par exemple le récepteur d’une station de base. L’exécution de ces applications logicielles spécifiques est apte à la mise en œuvre du procédé de transmission.

L’invention a en outre pour objet un système comprenant sources, éventuellement relais, et une destination, , , pour une mise en œuvre d’un procédé de transmission selon un objet précédent.

L’invention a en outre pour objet chacune des applications logicielles spécifiques sur un ou plusieurs supports d'information, lesdites applications comportant des instructions de programme adaptées à la mise en œuvre du procédé de transmission lorsque ces applications sont exécutées par des processeurs.

L’invention a en outre pour objet des mémoires configurées comportant des codes d’instructions correspondant respectivement à chacune des applications spécifiques.

La mémoire peut être incorporée dans n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. La mémoire peut-être de type ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore de type magnétique, par exemple une clé USB ou un disque dur.

D'autre part, chaque application spécifique selon l'invention peut être téléchargée depuis un serveur accessible sur un réseau de type Internet.

Les caractéristiques optionnelles présentées ci-dessus dans le cadre du procédé de transmission peuvent éventuellement s’appliquer à l’application logicielle et à la mémoire ci-dessus évoquées.

Liste des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels :

la figure 1 est un schéma d’un exemple de système dit Coopérative OMAMRC (Orthogonal Multiple Access Multiple Relays Channel) selon l’invention,

la figure 2 est un schéma d’un cycle de transmission d’une trame qui peut être précédé d’une étape d’initialisation selon l’invention,

la figure 3 est un schéma du système OMAMRC de la figure 1 pour lequel toutes les sources sauf la source sont considérées comme correctement décodées.

Description de modes de réalisation particuliers

Une utilisation du canal (channel use) est la plus petite granularité en ressource temps-fréquence définit par le système qui permet la transmission d’un symbole modulé. Le nombre d’utilisations du canal est lié à la bande de fréquence disponible et à la durée de transmission.

Dans le cas « slow fading » privilégié dans la description, les gains d’évanouissement sont constants pendant les intervalles de temps où est le nombre maximal d’intervalles de temps pour accomplir un cycle de transmission.

Un mode de réalisation de l’invention est décrit dans le contexte d’un système OMAMRC illustré par la figure 1 et à l’appui du schéma de la figure 2 qui illustre un cycle de transmission d’une trame.

Ce système comprend sources qui appartiennent au jeu de sources où, par convention pour simplifier les notations, , relais qui appartiennent au jeu de relais et une destination .

Chaque source du jeu communique avec l’unique destination avec l’aide des autres sources (user cooperation) et des relais qui coopèrent.

A titre de simplification de la description, les suppositions suivantes sont faites par la suite sur le système OMAMRC :

les sources, les relais sont équipés d’une seule antenne d’émission ;
les sources, les relais, et la destination sont équipés d’une seule antenne de réception ;
les sources, les relais, et la destination sont parfaitement synchronisés ;
les sources sont statistiquement indépendantes (il n'y a pas de corrélation entre elles) ;
tous les nœuds émettent avec une même puissance ;
il est fait usage d’un code CRC supposé inclus dans les bits d’information de chaque source pour déterminer si un message est correctement décodé ou pas ;
les liens entre les différents nœuds souffrent de bruit additif et d’évanouissement. Les gains d’évanouissement sont fixes pendant la transmission d’une trame effectuée pendant une durée maximale intervalles de temps, mais peuvent changer indépendamment d’une trame à une autre. est un paramètre du système ;
la qualité instantanée du canal/lien direct en réception (CSIR Channel State Information at Receiver) est disponible à la destination, aux sources et aux relais ;
les retours sont sans erreur (pas d’erreur sur les signaux de contrôle).

Les nœuds comprennent les relais et les sources qui peuvent se comporter comme un relais quand elles n’émettent pas leur propre message.

Les nœuds, sources et relais, accèdent au canal de transmission selon un schéma d’accès multiple orthogonal en temps qui leur permet d’écouter sans interférence les transmissions des autres nœuds. Les nœuds fonctionnent selon un mode half-duplex.

Les notations suivantes sont utilisées :

est le symbole modulé codé pour l’utilisation du canal émis par le nœud ,
est le signal reçu au nœud correspondant à un signal émis par le nœud ,
est le rapport signal à bruit moyen (SNR) qui prend en compte les effets d’atténuation du canal (path-loss) et de masquage (shadowing),
est le gain d’atténuation du canal (fading) qui suit une distribution Gaussienne complexe circulaire symétrique à moyenne nulle et de variance , les gains sont indépendants entre eux,
sont des échantillons d’un bruit blanc Gaussien (AWGN) distribués de manière identique et indépendante qui suivent une distribution Gaussienne complexe de symétrie circulaire à moyenne nulle et de variance unitaire.

est une variable représentant le débit initial de la source qui peut prendre ses valeurs dans l’ensemble fini . De même, est une variable représentant le rapport qui peut prendre ses valeurs dans un ensemble fini .

Le signal reçu au nœud correspondant au signal émis par le nœud peut s’écrire :

(1)

Pendant la première phase de intervalles de temps, chaque source émet ses mots de code pendant utilisations du canal, , le nombre d’utilisations du canal dépendant de la source s.

Pendant la seconde phase de , , intervalles de temps, chaque nœud sélectionné émet une information représentative des messages des sources décodées sans erreur par ce nœud pendant utilisations du canal, , le nombre d’utilisations du canal étant par simplification pour le procédé identique entre les sources .

En exploitant des signaux de référence (symboles pilotes, signaux SRS du 3GPP LTE, etc), la destination peut déterminer les gains (CSI Channel State Information) des liens directs : , c’est-à-dire des liens source vers destination et relais vers destination et peut donc en déduire les SNR moyens de ces liens.

Par contre, les gains des liens entre sources, des liens entre relais et des liens entre sources et relais ne sont pas connus de la destination. Seuls les sources et les relais peuvent estimer une métrique de ces liens en exploitant des signaux de référence de manière similaire à celle utilisée pour les liens directs. Compte tenu que les statistiques des canaux sont supposés constantes entre deux phases d’initialisation, la transmission à la destination des métriques par les sources et les relais peut n’intervenir qu’à la même cadence que la phase d’initialisation. La statistique du canal de chaque lien est supposée suivre une distribution Gaussienne complexe circulaire centrée et les statistiques sont indépendantes entre les liens. Il est par suite suffisant de ne considérer que le SNR moyen comme mesure de la statistique d’un lien.

Les sources et les relais remontent donc à la destination des métriques représentatives des SNR moyens des liens qu’ils peuvent observer.

La destination connait ainsi le SNR moyen de chacun des liens.

Pendant une phase initiale d’adaptation de lien qui précède la transmission de plusieurs trames, la destination transmet pour chaque source s une valeur représentative (index, MCS, débit, etc) d’un débit initial et une valeur .

Chacun des débits initiaux détermine de manière non ambiguë un schéma de modulation et de codage (MCS, Modulation and Coding Scheme) initial ou inversement chaque MCS initial détermine un débit initial.

La remontée des débits initiaux et des rapports est effectuée via des canaux de contrôle à débit très limité.

Ces débits initiaux sont déterminés par la destination de façon à maximiser une métrique d’utilité moyenne e.g. une efficacité spectrale moyenne, conditionnée à la stratégie de sélection des nœuds intervenant pendant la deuxième phase et sous contrainte d’un BLER individuel moyen pour chaque source, cette métrique étant modifiée par l’introduction du rapport , son expression est donnée par l’équation (21).

Cette métrique (21) est ainsi une fonction à variables multiples qui dépend de la valeur actuelle prise par les variables de débit et par les variables du rapport entre le nombre d’utilisations du canal pendant la seconde phase et le nombre d’utilisations du canal pendant la première phase :

Chaque source transmet à la destination ses données mises en trame avec l’aide des autres sources et des relais.

Une trame occupe des intervalles de temps (time slots) lors de la transmission des messages des respectivement sources. La transmission d’une trame (qui définit un cycle de transmission) se déroule pendant intervalles de temps : intervalles pour la 1^èrephase de capacités respectives utilisations du canal pour chaque source i, intervalles pour la 2^ephase.

Pendant la première phase, chaque source transmet après codage un message comportant bits d’information , étant le corps de Galois à deux éléments. Le message comprend un code de type CRC qui permet de vérifier l’intégrité du message . Le message est codé selon le MCS initial. Compte tenu que les MCS initiaux peuvent être différents entre les sources, les longueurs des messages codés peuvent être différentes entre les sources. Le codage utilise un code à redondance incrémentale. Le mot de code obtenu est segmenté en blocs de redondance. Le code à redondance incrémentale peut être de type systématique, les bits d’information sont alors inclus dans le premier bloc. Que le code à redondance incrémentale soit ou pas de type systématique, il est tel que le premier bloc peut être décodé de manière indépendante des autres blocs. Le code à redondance incrémentale peut être réalisé par exemple au moyen d'une famille finie de codes linéaires poinçonnés à rendements compatibles ou de codes sans rendement modifiés pour fonctionner avec des longueurs finies : code raptor (RC), turbo code poinçonné de rendement compatible (RCPTC rate compatible punctured turbo code), code convolutionnel poinçonné de rendement compatible (RCPCC rate compatible punctured convolutional code), LDPC de rendement compatible (RCLDPC rate compatible low density parity check code).

Ainsi, lors de la première phase, les sources transmettent successivement leur message pendant les intervalles avec respectivement des schémas de modulation et de codage déterminés à partir des valeurs des débits initiaux.

Chaque message transmis correspondant à une source , un message correctement décodé est assimilé à la source correspondante par abus de notation.

Lorsqu’une source émet, les autres sources et les relais écoutent et tentent de décoder les messages reçus à la fin de chaque intervalle de temps. Le succès du décodage est décidé en utilisant le CRC.

Lors de la seconde phase, le nœud sélectionné, source ou relais, agit comme un relais en coopérant avec les sources pour aider la destination à décoder correctement les messages de toutes les sources. Le nœud sélectionné transmet i.e. il coopère en transmettant les mots ou une partie des mots qu’il a correctement décodés. La seconde phase comprend au maximum intervalles de temps (slots temporels) appelés rounds. Chaque round a une capacité de utilisations du canal.

Pendant cette phase, la destination suit une certaine stratégie pour décider du nœud qui émet à chaque intervalle de temps (round). La destination informe les nœuds en utilisant un canal de contrôle à débit limité (limited feedback) pour transmettre un message de retour. Ce message de retour est basé sur son résultat de décodage des messages reçus. La destination contrôle ainsi la transmission des nœuds en utilisant ces messages de retour ce qui permet d’améliorer l’efficacité spectrale et la fiabilité en augmentant la probabilité de décodage de toutes les sources par la destination.

Si le décodage de toutes les sources est correct le retour est un message de type . Dans ce cas un cycle de transmission d’une nouvelle trame débute avec l’effacement des mémoires des relais et de la destination et avec la transmission par les sources de nouveaux messages.

Si le décodage d’au moins une source est erroné le message de retour est typiquement un . Chaque nœud transmet son jeu de sources correctement décodées à l’issue de l’intervalle de temps (round) précédent noté . Par convention, on note le jeu des messages (ou sources) correctement décodés par le nœud à la fin de l’intervalle de temps (round ), . La fin de l’intervalle de temps (round) correspond à la fin de la première phase. Le nombre d’intervalle de temps (time-slots) utilisés pendant la seconde phase dépend du succès de décodage à la destination.

Le nœud sélectionné transmet des parités déterminées à partir des messages de son jeu de sources correctement décodées en utilisant un codage réseau et un codage canal conjoints (Joint Network Channel Coding). Cette transmission intervient pendant un intervalle de temps de utilisations du canal. Les autres nœuds et la destination peuvent améliorer leur propre décodage en exploitant la transmission du nœud sélectionné et mettre à jour en conséquence leur jeu de sources correctement décodées.

Le débit initial de transmission d’une source est en bits par dimension complexe (b.c.u). Le débit sur le long terme d’une source est défini comme le nombre de bits transmis par rapport au nombre total d’utilisations du canal pour un nombre de trames transmises qui tend vers l’infini :

(2)

avec le nombre moyen d’intervalles de temps (rounds) de retransmission utilisés pendant la seconde phase et avec .

L’efficacité spectrale peut être définie comme la somme d’efficacités spectrales individuelles :

(3)

avec l’événement que la source ne soit pas décodée correctement par la destination à l’issue de l’intervalle de temps (round) , appelé dans la suite événement de coupure individuel (individual outage event) de la source à l’issue de l’intervalle de temps (round) .

En général, l’événement de coupure individuel de la source à l’issue de l’intervalle de temps (round) , dépend du nœud sélectionné et du jeu associé de sources décodées et ceci de manière conditionnelle à la connaissance des gains des canaux directs et de . est le jeu comprenant tous les nœuds qui ont été sélectionnés aux intervalles de temps (rounds) précédents l’intervalle de temps (round) ainsi que leur jeu de décodage associé et que le jeu de décodage de la destination .

L’événement de coupure commune (common outage event) à l’issue de l’intervalle de temps (round) , , est défini comme étant l’événement qu’au moins une source ne soit pas décodée correctement par la destination à l’issue de l’intervalle de temps (round) .

La probabilité de l’événement de coupure individuel de la source à l’issue de l’intervalle de temps (round) pour un nœud candidat peut être exprimée sous la forme : avec l’opérateur d’espérance et telle que prend la valeur 1 si l’événement est vrai et la valeur 0 sinon.

La probabilité de l’événement de coupure commune peut être définie de la même manière. Dans la suite la dépendance à la connaissance de et de est omise par souci de simplification des notations.

L’événement de coupure commune d’un jeu de sources intervient quand le vecteur de leur débit est en dehors de la région de capacité MAC correspondante.

Pour certains sous-jeux de sources avec le jeu de sources non décodées correctement par la destination à l’issue de l’intervalle de temps (round) , l’événement de coupure commune peut s’exprimer sous la forme :

telle que les sources qui appartiennent à sont considérées comme des interférences.

traduit le non-respect de l’inégalité MAC associée au débit somme des sources contenues dans :

Où

l’information mutuelle entre les nœuds et et un nœud déjà sélectionné.

Le facteur permet de normaliser avant addition les deux termes associés respectivement aux deux phases pour lesquelles les intervalles de temps ont des durées d’utilisations du canal (channel use) respectives et .

L’événement de coupure individuelle de la source à l’issue de l’intervalle de temps (round) peut s’écrire :

(6)

où et et ont la même expression que pour (5).

La destination met en œuvre selon l’invention une adaptation de lien de type lent. Cette adaptation consiste à maximiser la métrique d’utilité moyenne (21), comprenant le rapport , après un nombre de retransmissions (transmissions coopératives) intervenant pendant la seconde phase sous contrainte d’un BLER individuel moyen pour chaque source.

La métrique d’utilité est une efficacité spectrale moyenne conditionnée à la stratégie de sélection des nœuds intervenant pendant cette seconde phase.

Selon une première classe de stratégies, la sélection des nœuds pris parmi les sources et les relais dépend des jeux des sources correctement décodées par les nœuds. Un exemple considéré dit stratégie préférée est basé sur une sélection de type IR-HARQ qui vise à maximiser l’efficacité spectrale. Selon cette stratégie préférée, à l’intervalle de temps (round) de la deuxième phase la destination choisit le nœud avec la meilleure qualité instantanée du lien entre elle-même et ce nœud (par exemple la plus grande information mutuelle entre elle-même et ce nœud) pris parmi tous les nœuds qui ont pu décoder correctement au moins une source du jeu , ces nœuds étant dits éligibles. Cette stratégie permet d’atteindre un bon compromis entre la complexité de calcul et les performances mais au détriment d’un nombre important de signaux de contrôle.

Selon une deuxième classe de stratégies, la sélection des nœuds pris parmi les sources et les relais ne dépend pas des jeux des sources correctement décodées par les nœuds. Selon cette classe la sélection est déterminée et connue de tous les nœuds. Un exemple considéré est tel que la séquence de sélection est cyclique et tel que le nœud sélectionné n’est sélectionné que parmi les relais. Selon cet exemple, chaque relais bénéficie d’au moins un intervalle de temps (round) dédié pendant la seconde phase pour transmettre. Pour ne pas privilégier un relais par rapport à un autre, la séquence change à chaque trame. Selon cet exemple, seul un bit de retour depuis la destination suffit pour remonter un message ACK/NACK commun.

Lors de la première phase, chaque source émet avec le débit initial .

Soit la probabilité moyenne d’avoir le message de la source non décodé correctement après intervalles de temps (rounds) de la seconde phase.

Dans une transmission point à point, le débit (throughput) individuel de la source est donné par :

Et pour optimiser ce débit, la méthode habituelle consiste à trouver la paire optimale .

Une telle méthode habituelle n’est pas utilisable pour un système à sources, éventuellement relais, et une destination avec un schéma d’accès multiple orthogonal du canal de transmission puisque le est dépendant de tous les débits et de tous les rapports . Ceci vient du fait que le jeu de décodage du nœud sélectionné à l’intervalle de temps (round) courant dépend de tous les débits et de tous les rapports et que ceux-ci influencent la probabilité de décodage incorrect du message de la source .

Afin de ne pas surcharger les notations nous distinguons le débit de la source après optimisation, de qui est une valeur possible de dans l’ensemble du jeu des débits possibles . est le nombre de MCS différents. De même nous distinguons le rapport de la source après optimisation, de qui est une valeur possible de dans l’ensemble du jeu des rapports possibles .

Le procédé selon l’invention est une solution au problème d’optimisation suivant :

sous contrainte que .

Dans la relation (7), est une variable aléatoire qui représente le nombre d’intervalles de temps (rounds) utilisés pendant la seconde phase . La distribution de dépend de , de et de ce qui rend l’optimisation (7) multidimensionnelle de cardinalité soit (2M)-tuple possibles pour 3 sources, une famille de quinze MCS et 3 valeurs de possibles. Une recherche exhaustive devient très vite impossible lorsque le nombre de sources augmente.

Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention suit une approche dite « Genie Aided (GA)» qui consiste à faire l’hypothèse lors de l’étape d’initialisation que toutes les sources sauf la source dont on veut initialiser le débit sont considérées comme correctement décodées, . Toutes les sources autres que agissent comme des relais notés . Pour la source considérée, le réseau est un réseau à relais multiples noté ( ) et non plus un réseau à relais multiples et utilisateurs multiples. Le système correspondant est illustré par le schéma de la figure 3 lorsque .

La recherche de la paire optimale ( , ) pour la source sous l’hypothèse « Genie Aided (GA) » se confronte à une difficulté supplémentaire par rapport à l’état de l’art où . En effet, l’équation (2) montre que le choix du débit de la source s dépend même sous l’hypothèse GA des rapports . Ainsi, en faisant une autre hypothèse dite GA1, une même valeur du rapport est fixée pour toutes les sources de la manière suivante :

, où avec .

Finalement, la recherche de la paire optimale ( ) pour la source sous les hypothèses GA et GA1 peut s’écrire sous la forme d’une optimisation monodimensionnelle conditionnée à :

où est le débit de la source après optimisation, est la variable de débit et où est la probabilité conjointe des réalisations des canaux de tous les liens du réseau. Il est clair que le débit dépend des nœuds sélectionnés et donc de la stratégie de sélection appliquée par la destination.

Une troisième hypothèse GA2, consistant à considérer une stratégie de sélection aléatoire équiprobable du nœud actif au temps peut être adoptée, où est le nombre maximale de retransmission.

L’approximation selon (8) avec les hypothèses GA, GA1, GA2 peut être calculée en mettant en œuvre un processus Monte Carlo. Un mode de mise en œuvre est détaillé par l’algorithme 1 (en Annexe) pour la source s, son principe est le suivant.

D’abord, les rapports sont tous fixés à . Puis, chaque valeur de débit du jeu des débits possibles est considérée l’une après l’autre selon une première boucle sur i. est le nombre de schémas de modulation et de codage. Une deuxième boucle sur permet de moyenner le individuel ou sur tirages de canaux selon les statistiques données par les SNR moyens de tous les liens. Ainsi, à l’intérieure de la boucle tous les canaux sont connus résultant d’un tirage aléatoire.

Le calcul de l’équation (8) est alors effectué selon un processus Monte-Carlo où l’intégrale est remplacée par une somme :

la variable de l’algorithme 1 correspondant à:

La conjonction des hypothèses GA, GA1 et GA2 permet d’obtenir une première approximation selon (8) des débits initiaux et des rapport des sources qui peut constituer le point de départ initial (itération 0) d’un algorithme d’optimisation itératif connu sous le nom de meilleures dynamiques de réponse ou « Best Response Dynamics » dont une mise en œuvre correspond à l’algorithme 2 (en Annexe).

L’algorithme 2 est basé sur un calcul par simulations Monte Carlo de l’efficacité spectraleutilisant les évènements de coupure donnés par l’équation (6).

et Pr( pour tout doivent être évalués dans la boucle Monte Carlo en fonction de la stratégie de sélection de nœud actif par la destination et de la statistique de façon similaire à l’algorithme 1.

Le calcul de l’efficacité spectrale

peut suivre le déroulement donné par l’algorithme 3.

Le procédé calcule le de la source et l’espérance du nombre de retransmissions . Selon ce mode, le procédé considère que la probabilité de coupure individuelle est une bonne approximation du BLER individuel de la source . La probabilité de coupure individuelle est la moyenne de l’événement de coupure individuel donné par l’équation (6) sur les statistiques des liens du système MAMRC. Pour un taux donné de profils de canaux du système MAMRC et un jeu de ratios conditionné à une stratégie de sélection donnée par la destination, le procédé s’appuie sur l'évaluation des événements de coupure des équations (5) et (6) pour déterminer le jeu de décodage au niveau du nœud destination et des nœuds relais. Toutes les sources qui ne se trouvent pas dans le jeu de décodage de la destination après retransmissions sont déclarées en coupure, c'est-à-dire que leur compteur d'erreurs est augmenté de 1.

L’agorithme 3 comporte une partie principale et deux sous routines.

La première sous routine est la fonction check_outage( , ) qui prend en compte l’intervalle de temps courant t de retransmission et le sous-jeux pour lequel doit être calculé la coupure commune pour . Cette fonction exprime l’événement de l’équation (4) ayant pour entrées la liste des information mutuelle entre les nœuds et les nœuds sélectionnés ainsi que leur jeu de sources decodées sans erreur de à . Ainsi tous les sous-jeux du sous-jeu devraient être cherchés pour obtenir un résultat d’un jeu de décodage pour le sous-jeu . Ces événements sont passés en revue dans la première boucle de cette fonction. Cette fonction contient également deux autres boucles, une pour calculer le débit somme du sous-jeu courant ainsi que les informations mutuelles incluses, et une autre boucle pour calculer les informations mutuelles supplémentaires incluses en fonction des nœuds activés dans la phase de retransmission.

La seconde sous routine est la fonction get_decoding_set( ) qui détermine le jeu de décodage à un certain intervalle de temps t en prenant en compte les précédents paramètres et jeu activated_nodes_list déterminés. Le principe de cette fonction est de trouver le sous jeux de cardinalité maximum qui conduise à un événement de coupure commune égal à zéro. En effet,

Quel que soit la source ajoutée à B, l’événement de coupure commune associé est égal à 1 par définition,
Il n’est pas possible d’avoir de multiples sous-jeux avec les mêmes cardinalités associés à un événement de coupure commune égal à zéro. Si c’était possible, un sous-jeu de plus grande cardinalité associé à un événement de coupure commune égal à zéro serait obtenu en effectuant l’union de ces sous-jeux.

La partie principale comprend quatre boucles. De même que pour l’algorithme 1, il y a la boucle Monte-Carlo telle que chacune de ses itérations conduit à un événement de coupure individuel ainsi qu’à une durée espérée de retransmission pour la seconde phase. Les fonctions définies précédemment sont utilisées pour vérifier l’événement de coupure.

S’il n’y a aucune coupure alors le procédé passe à une nouvelle itération et les compteurs des événements de coupure individuels ainsi que le compteur de durée espérée de retransmission ne changent pas.

S’il y a une coupure alors le procédé démarre une 2^eboucle, en prenant en compte la phase de retransmission et une certaine stratégie d’allocation selon laquelle un certain nœud est sélectionné pour retransmettre et est ajouté au jeu des nœuds activés. Une fois qu’un événement de coupure est atteint pendant l’intervalle de temps de la phase de retransmission, la durée espérée de retransmission est mise à jour. Finalement, si le nombre d’intervalles de temps de retransmission est atteint, le procédé vérifie s’il y a coupure ou pas et met à jour en conséquence le compteur d’événement de coupure individuel de chaque utilisateur. Après la fin de la boucle Monte-Carlo, les BLER individuels et la durée espérée d’intervalles de temps de retransmission sont calculés au moyen d’une moyenne.

L’efficacité spectrale est alors calculée selon l’équation (3).

Claims

Procédé de transmission avec adaptation lente de lien destiné à un système de télécommunication OMAMRC à sources ( ), éventuellement relais ( ) et une destination ( ), , , caractérisé en ce qu’un nombre d’utilisations du canal est alloué à chaque source pour transmettre et en ce que ce nombre est déterminé par la destination lors de l’adaptation lente de lien pour chaque source sur la base d’une connaissance statistique de tous les canaux.
Procédé de transmission avec adaptation lente de lien selon la revendication 1 selon lequel une première phase de transmission est réservée à la transmission successive des sources pendant intervalles de temps de utilisations du canal par source et une deuxième phase est réservée à une ou plusieurs transmissions coopératives de utilisations du canal par intervalle de temps coopérative alloués à un ou plusieurs nœuds pris parmi les sources et les relais sélectionnés selon une stratégie de sélection et selon lequel les sources sont informées par la destination des valeurs d’un rapport d’utilisations du canal entre les deux phases déterminé pour chaque source.
Procédé de transmission avec adaptation lente de lien selon la revendication 1 ou 2 selon lequel les utilisations du canal consistant en des ressources temporelles et/ou fréquentielles, une variation du nombre d’utilisations du canal consiste en une variation du nombre de ressources allouées à chaque source qui tient compte des qualités moyennes des canaux.
Procédé de transmission avec adaptation lente de lien selon l’une des revendications 2 à 3 selon lequel les valeurs d’un rapport d’utilisations du canal entre les deux phases déterminé pour chaque source appartiennent à un jeu fini de valeurs discrètes, de préférence .
Procédé de transmission avec adaptation lente de lien selon l’une des revendications 2 à 4 selon lequel l’adaptation de lien de type lent consiste à maximiser une fonction d’utilité moyenne sous contrainte d’un BLER individuel moyen pour chaque source exprimée sous la forme :
sous contrainte que
avec
une variable représentant le débit initial alloué à la source ,

le nombre de transmissions coopératives utilisés pendant la seconde phase,

une moyenne du nombre de transmissions coopératives utilisés pendant la seconde phase,

une variable représentant le rapport entre le nombre d’utilisations du canal pendant la seconde phase et le nombre d’utilisations du canal pendant la première phase pour la source , ,

la probabilité de l’événement de coupure individuel de la source à l’issue de d’être inférieure à une valeur de qualité de service donnée.
Procédé de transmission avec adaptation lente de lien selon la revendication 5, les valeurs d’un rapport d’utilisations du canal entre les deux phases déterminé pour chaque source appartenant à un jeu fini de valeurs discrètes, le procédé est tel que la maximisation de la métrique d’utilité moyenne comprend une initialisation du rapport pour chaque source à la valeur discrète ( ) la plus proche d’une moyenne des valeurs du rapport et à déterminer indépendamment chaque débit d’une source en supposant que tous les messages des autres sources sont connus de la destination.
Procédé de transmission avec adaptation lente de lien selon la revendication 6 en ce que les valeurs initiales sont modifiées au moyen d’un calcul itératif des débits initiaux par la destination qui prend en compte une stratégie de sélection des nœuds pendant la seconde phase.
Système comprenant sources ( ), relais ( ) et une destination ( ), , , pour une mise en œuvre d’un procédé de transmission selon l’une des revendications 1 à 7.