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Conception d'une interface inter-couches pour les réseaux ad hoc à détection multi-utilisateurs

Kouraogo, Pegdwindé Justin (2014). Conception d'une interface inter-couches pour les réseaux ad hoc à détection multi-utilisateurs. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Pour les prochaines générations de systèmes de communication sans fil, les réseaux ad hoc sont nécessaires pour combler les besoins en couverture, dans les situations où les systèmes filaires et cellulaires ne peuvent pas être déployés. Dans ce genre de réseaux, les plus importantes pertes sont dues au support sans fil qui introduit des évanouissements dans la forme d'onde radio. Le comportement du milieu sans fil introduit également d'importantes pertes dans les couches du réseau. Pour faire face aux pertes dues au canal sans fil, l'architecture en couches présente certaines limitations.

Dans ce travail, nous utilisons la méthodologie inter-couches pour augmenter les performances des réseaux ad hoc. Nous adoptons le principe selon lequel, la connaissance de l'information sur l'état du canal sans fil et la structure du modulateur peuvent être une source de gains en performances lorsqu'ils sont utilisés dans les mécanismes de la couche d'accès tels que le contrôle de débit, l'ordonnancement des paquets, la gestion de la qualité de service.

Pour atteindre ce but nous avons conçu et implémenté un cadre conceptuel qui permet une synergie entre les couches d'accès et physique. Les canaux sans fil des utilisateurs connectés sont prédits afin d'ajuster les caractéristiques des paquets de données et les débits. L'algorithme des moindres carrés (LMS, least mean square algorithm) a été utilisé pour réduire la complexité du système. La nouveauté de ce travail porte sur les importantes capacités de réseau en jeu à gérer, ainsi que le contexte multi-utilisateurs. La couche physique est choisie pour implémenter une plateforme radio logicielle qui intègre les détecteurs multi-utilisateurs linéaires et le récepteur à filtre adapté. La couche d'accès radio implémente un protocole à détection multi-utilisateurs complet. Elle est conçue pour
supporter au niveau de chaque noeud en mode réception, une détection conjointe des signaux reçus afin de délivrer les paquets des utilisateurs.

Différents canaux sans fil et deux scénarios de mobilité sont utilisés pour évaluer les performances du cadre inter-couches. Nous démontrons que la connaissance de l'information de l'état du canal physique au niveau de la couche d'accès est utile pour augmenter les performances. D'importants gains en performances peuvent être atteints par les transmissions multi-débits. Parmi elles, la transmission multi-facteurs d'étalement donne globalement les débits agrégés les plus élevés, et le détecteur décorrélateur la meilleure qualité de réception. Des intervalles de temps ou ''slot'' variables sont bénéfiques pour le fonctionnement du système; la couche d'accès est dotée d'une résistance aux interférences d'accès multiples. Le cadre conceptuel et la détection multi-utilisateurs sont utilisés conjointement pour réaliser des transmissions de qualité de service fixe, qui dépassent ceux des systèmes à débit unique.

En conclusion, dans cette étude nous proposons un système qui, premièrement, augmente les capacités et la qualité de service. Il offre une large gamme de débits suffisamment élevés et des taux d'erreur faibles. Ce qui permet de soutenir des transmissions multimédias de haute qualité et des applications à haute qualité de service (QoS). Deuxièmement, il comble le besoin de reconfiguration du réseau ad hoc, en particulier les réseaux à détection multiutilisateurs. Cela est obtenu grâce à la mise en oeuvre du système sous la forme d'une plateforme radio logicielle qui est flexible. Troisièmement, la capacité de reconfiguration du système permet aux noeuds du réseau de communiquer dans des environnements de déploiement souvent très hostiles et complexes, qui caractérisent certains réseaux ad hoc ou les futurs réseaux de radios cognitives.

Titre traduit

Cross-layer design of an interface for multi-user detection ad hoc networks

Résumé traduit

For the next generations of wireless systems, ad hoc networks are needed to solve the coverage problems, where wired lines and cellular systems cannot be deployed. In this kind of networks, the major loss of performance is due to the wireless medium which introduces fading in the radio waveform. The behaviour of the wireless medium also introduces errors on the data received at physical layer. The different layers of the protocols stack are seriously affected trough the packets received, the data flows and the services.

To cope with these degradations, the layers architecture is limited by its lack of flexibility. In this work cross-layer methodology is used to increase the capacity of ad hoc networks. We adopted the principle according to which the knowledge of the wireless channel characteristics and the mathematical structure of the modulator are important sources of gain for MAC layers mechanisms such as, the rate control, the scheduling, and the quality of service provided. To achieve this goal, we designed and implemented a framework which provides some synergy between MAC and physical layers. The wireless channels of the connected users are predicted and the data packets are sent at different rate according to the predicted gains. Least mean square algorithm is preferred for the prediction, to reduce the system complexity. The novelty of the work is the high capacity of network addressed and the multiuser context. Physical layer is chosen to implement a software defined radio based multi-users detectors platform, which integrates the linear multi-user detectors and the matched filter receiver. MAC layer implements a full multi-user detection protocol, designed to support in the nodes position of reception several users' signals and packets detection at the same time.

Different wireless channels and two scenarios of mobility are used to evaluate the performances of the framework by computer simulations. We demonstrate that the knowledge of the channel state information at MAC layer increases the performance. Important gain of performance is achieved by multi-rates transmissions schemes among which multi-processing gain schemes gives globally the higher throughput, and the decorrelating multiuser detector, the better quality of reception. Variable slot duration is beneficial for the system and the node MAC layers resist to multiple access interferences. Also, the different schemes and the detection platform are used to achieve fixed QoS transmissions which outperform the single rate system transmission.

Firstly, the scheme proposed, increases the user capacity and network quality of service. It gives a wide range of high data rates and low target bit error rates. It is well fitted to support high-quality multi-media transmissions, and to improve the performance of applications that require high quality of service (QoS). Secondly, it fills the need of reconfigurability of ad hoc network. In particular for the multiuser detection based ad hoc network the framework could be implemented as software on the radios. Thirdly it could adapt itself to the environment of the deployment of the different ad hoc networks, and future cognitive radios networks.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 273-278.
Mots-clés libres: Réseaux ad hoc (Réseaux d'ordinateurs) Conceptions inter-couches (Télécommunications) Détection multiutilisateur (Télécommunications) Moindres carrés. inter-couches, couche physique adaptative, prédiction, transmission à débit variable, détection multi-utilisateurs
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gagnon, François
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Zbigniew, Dziong
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 16 févr. 2015 21:44
Dernière modification: 16 févr. 2015 21:44
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1423

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