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FR3111495A1 - Procédé et système OMAMRC avec transmission FDM - Google Patents

Procédé et système OMAMRC avec transmission FDM Download PDF

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FR3111495A1
FR3111495A1 FR2006623A FR2006623A FR3111495A1 FR 3111495 A1 FR3111495 A1 FR 3111495A1 FR 2006623 A FR2006623 A FR 2006623A FR 2006623 A FR2006623 A FR 2006623A FR 3111495 A1 FR3111495 A1 FR 3111495A1
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FR
France
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sources
destination
source
relay
cooperative
Prior art date
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Withdrawn
Application number
FR2006623A
Other languages
English (en)
Inventor
Raphael Visoz
Ali AL KHANSA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orange SA
Original Assignee
Orange SA
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Publication date
Application filed by Orange SA filed Critical Orange SA
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Priority to US18/002,736 priority patent/US12308937B2/en
Priority to CN202180045475.0A priority patent/CN115769510A/zh
Priority to EP21740143.9A priority patent/EP4173167A1/fr
Priority to PCT/FR2021/051114 priority patent/WO2021260308A1/fr
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Abstract

Procédé et système OMAMRC avec transmission FDM La présente invention se rapporte à un procédé de messages destiné à un système de télécommunication OMAMRC à sources , éventuellement relais ( ) et une destination. La transmission est de type FDM sur une bande divisée en B sous-bandes orthogonales entre elles. Le procédé comprend : une transmission simultanée des sources pendant un intervalle de temps avec allocation d’au moins une sous-bande par source et au moins une retransmission coopérative d’un intervalle de temps d’au moins un nœud relais pris parmi les sources et les relais sélectionné selon une stratégie de sélection avec allocation d’au moins une sous-bande par nœud sélectionné. Figure pour l'abrégé : Fig.2

Description

Procédé et système OMAMRC avec transmission FDM
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 système de télécommunication OMAMRC décrit a sources, éventuellement relais et une destination, , et il utilise 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 aux transmissions successives des sources et intervalles pour une ou plusieurs retransmissions 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. Le relais effectue toujours une retransmission coopérative.
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 1èrephase et une 2ndephase. 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 2ndephase, les messages des sources sont retransmis 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 retransmettre leur message généré vers la destination.
La destination peut choisir quel nœud doit retransmettre 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 coopératives utilisées pendant la 2ndephase, est la moyenne du nombre de retransmissions coopératives 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 de messages destiné à un système de télécommunication OMAMRC à sources , éventuellement relais et une destination, , , . La transmission est de type FDM sur une bande divisée en B sous-bandes orthogonales entre elles. Le procédé est tel qu’il comprend :
  • une transmission simultanée des sources pendant un intervalle de temps avec allocation d’au moins une sous-bande par source et
  • au moins une retransmission coopérative pendant un intervalle de temps d’au moins un nœud relais pris parmi les sources et les relais sélectionné selon une stratégie de sélection avec allocation d’au moins une sous-bande par nœud sélectionné,
pour maximiser une métrique de qualité de service.
L’allocation de sous bandes entre les sources permet de réduire le temps nécessaire pour transmettre des données puisque les sources émettent simultanément dans un seul et même premier intervalle de temps (time slot). Un tel procédé est donc bien adapté pour des services exigeant en terme de latence. L’allocation d’une ou de plusieurs sous-bandes par source ainsi que la stratégie de sélection des sources lors des intervalles suivants, sont effectuées pour maximiser une métrique de qualité de service, par exemple un BLER, une efficacité spectrale.
Une maximisation de la qualité de service permet d’optimiser le débit ou de diminuer la puissance d’émission des sources pour un même débit.
Le ou les intervalles suivants le premier intervalle de temps sont dédiés à des retransmissions incluant au moins une retransmission coopérative. Une retransmission coopérative est soit une transmission par un relais soit une transmission par une source capable d’aider la destination à décoder au moins une autre source. Nous appellerons par la suite une retransmission non coopérative, une retransmission par la source de son propre message. Une retransmission coopérative est une transmission par un nœud qui contient des informations relatives à au moins un message d’un autre nœud. La transmission d’un relais est, par nature, une retransmission coopérative mais aussi la transmission d’une source (qui est capable de coopération) qui inclut dans sa transmission des informations relatives à au moins un message d’une autre source. La coopération des nœuds relais assure une augmentation de la fiabilité des transmissions.
Selon un mode de réalisation, la stratégie de sélection est telle qu’un nœud relais qui décode un jeu de sources à un intervalle de temps t ne peut coopérer à un intervalle de temps t+1 que pour une seule source de son jeu.
Ce mode de réalisation permet d’obtenir une expression directe de l’événement de coupure individuelle d’une source, c’est-à-dire sans la nécessité d’obtenir les événements de coupure de tous les sous-groupes des sources contenant la source considérée. Le choix de la source, parmi les sources non encore décodées sans erreur par la destination, avec laquelle le nœud coopère peut être aléatoire, la transmission du nœud vers la destination comprend donc l’indication de la source avec laquelle il coopère. En outre, l’événement de coupure commune d’un jeu de sources est obtenu simplement comme étant l’union des coupures individuelles des sources du jeu.
Selon un mode de réalisation, le procédé est tel que :
  • la destination diffuse aux nœuds relais son jeu de sources correctement décodées parmi les sources reçues lors d’un intervalle de transmission,
  • les nœuds relais qui ont correctement décodées une source non correctement décodée par la destination en informe la destination,
  • la destination diffuse aux nœuds relais un vecteur comprenant les nœuds relais sélectionnés pour les sous-bandes pour la retransmission coopérative ou non coopérative pendant l’intervalle de transmission suivant.
Selon ce protocole la destination remonte aux nœuds relais son jeu de sources correctement décodées à l’issue d’une réception de données transmises pendant un intervalle de transmission. Cette remontée peut intervenir via un canal de contrôle. Selon un mode de réalisation particulièrement simple, la destination remonte M bits qui indiquent pour chacune des M sources si elle est correctement décodée ou pas. Si toutes les sources sont correctement décodées par la destination i.e. son jeu de sources correctement décodées contient les M sources, une nouvelle trame est transmise.
Selon un mode de réalisation, un nœud relais informe la destination en transmettant un seul bit dans un canal de contrôle.
Selon ce mode, la signalisation des nœuds relais vers la destination est minimale et a donc pour avantage de consommer très peu de ressource du canal. Avec cette information, la destination peut mettre en œuvre une stratégie de sélection qui, par exemple, consiste à maximiser à un intervalle de temps donné t la somme des informations mutuelles entre les nœuds pouvant aider avec leurs sous bandes allouées et la destination : .
Selon un mode de réalisation, un nœud relais informe la destination en transmettant son jeu de sources correctement décodées.
Comparativement au mode précédent, la signalisation des nœuds relais vers la destination selon ce dernier mode est plus consommatrice en ressources du canal. Mais l’information transmise permet à la destination de sélectionner plus efficacement les nœuds relais pour l’aider à décoder un maximum de sources.
Selon un mode de réalisation, la destination sélectionne les nœuds relais lui permettant de décoder correctement le plus de sources à l’issue de la retransmission coopérative ou non coopérative.
Selon ce mode, la destination remonte aux nœuds relais un vecteur dans lequel sont sélectionnés les nœuds relais qui maximisent le nombre de sources correctement décodées par ces nœuds relais et pas encore correctement décodées par la destination. Le vecteur comprend en outre l’allocation des sous-bandes aux nœuds relais sélectionnés.
Selon un mode de réalisation, la destination sélectionne les nœuds relais tel que la somme des informations mutuelles entre les nœuds pouvant aider avec leurs sous bandes allouées et la destination est maximisée.
Dans le cas où plusieurs vecteurs peuvent conduire au même nombre maximum de sources nouvellement décodées, le procédé choisit le vecteur qui maximise la somme des informations mutuelles entre les nœuds pouvant aider avec leurs sous bandes associées et la destination : .
Selon un mode de réalisation, le procédé est avec adaptation lente de lien et est tel que des débits alloués aux sources sont déterminés pour maximiser une métrique exprimée sous la forme d’une fonction d’utilité moyenne sous contrainte d’un BLER individuel moyen pour chaque source :
avec
  • une variable représentant le débit initial alloué à la source ,
  • le nombre de données transmises sur utilisations du canal par la source i,
  • le nombre d’intervalles de temps utilisés pour les retransmissions coopératives/éventuellement non coopératives,
  • une moyenne du nombre d’intervalles de temps utilisés pour les retransmissions coopératives/éventuellement non coopératives,
  • le taux d’erreur bloc pour la sourcei.
Selon un mode de réalisation, le procédé est avec adaptation rapide de lien et est tel que des débits alloués aux sources sont déterminés pour maximiser une métrique exprimée sous la forme d’une fonction d’utilité moyenne sous contrainte des coupures individuelles des sources :
avec
  • la probabilité de coupure individuelle de la source i à l’intervalle t de retransmission coopérative/éventuellement non coopérative,
  • le nombre d’intervalles de temps utilisés pour les retransmissions coopératives/éventuellement non coopératives,
  • une variable représentant le débit initial alloué à la source , .
L’invention a en outre pour objet, un système comprenant sources , relais et une destination , , , pour une mise en œuvre d’un procédé de transmission selon l’invention.
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 selon un exemple de mise en œuvre de l’invention,
la figure 3 est un schéma du protocole des échanges d’informations entre la destination et les nœuds, sources et relais, selon un mode de réalisation de l’invention.
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.
Un système OMAMRC est illustré par la figure 1. Un tel système comprend sources qui appartiennent au jeu de sources , 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 de 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 fréquence et fonctionnent selon un mode full-duplex qui leur permet d’écouter sans interférence les transmissions des autres nœuds.
La bande du canal est divisée en B sous-bandes dont le nombre est supposé supérieur ou égal au nombre de sources : . Chaque sous-bande associée à un intervalle de temps détermine F utilisations du canal (F ressource elements).
Dans le cas d’une transmission avec une modulation OFDM, une sous-bande peut comprendre par exemple autant de sous-porteuses qu’un symbole OFDM.
Le nombre N d’utilisations du canal est supposé identique pour chaque intervalle de transmission : .
Un cycle de transmission dure intervalles de temps avec et le nombre maximal d’intervalles de temps. A chaque intervalle de temps, aucune, une ou plusieurs sous-bandes sont allouées à un nœud selon une première partition.
Pendant le premier intervalle de temps (première phase) toutes les sources transmettent, en supposant que , respectivement sur une ou plusieurs sous-bandes allouées à chaque source.
Pendant les intervalles suivants dits de retransmission (deuxième phase), seuls les nœuds sélectionnés parmi les sources et les relais retransmettent et leur retransmission intervient sur la ou les sous-bandes qui leur sont respectivement allouées selon une partition déterminée pour chaque intervalle courant. Ainsi, les partitions peuvent être différentes entre tous les intervalles de transmission y compris le premier.
La sélection des nœuds et l’allocation des sous-bandes sont mises en œuvre par un ordonnanceur, (« scheduler » en anglais) typiquement hébergé par la destination.
Les notations suivantes sont utilisées :
  • si le nœudisélectionné est une source i dénotée , sinon et le nœud sélectionné est un relais dénoté , ,
  • est le vecteur de dimension B des nœuds sélectionnés pour l’intervalle de transmission t, que ce soit pendant la première phase que pendant la deuxième phase. Le élément du vecteur désigne la sous-bande et le nœud sélectionné actif durant cet intervalle de temps t dans cette sous-bandei, . L’ordre dans le vecteur correspond à l’ordre des sous-bandes.
  • est le vecteur de dimension M+L du nombre de sous-bandes allouées pour chaque nœud qui varie entre 0 (le nœud est inactif) et B (le nœud occupe toutes les sous bandes), source ou relais, pour l’intervalle de transmission (time slot) t que ce soit pendant la première phase que pendant la deuxième phase. Le élément du vecteur désigne le nombre de sous-bandes allouées au nœudià l’intervalle de transmission (time slot) t, . La somme des éléments composants le vecteur est égale à B le nombre de sous-bandes.
  • est le gain d’atténuation du canal (fading) entre le nœud a (source ou relais) et le nœud b (source, relais ou destination) qui suit une distribution Gaussienne complexe circulaire symétrique à moyenne nulle et de variance , les gains sont indépendants entre eux,
  • est le nombre minimum d’intervalles de temps de retransmission i.e. pendant la deuxième phase qui conduit à zéro défauts pour toutes les sources (l’événement de coupure individuelle de chacune des sources vaut zéro) :
(1)
L’événement de coupure individuelle de la source s après l’intervalle t (round t) de retransmission dépend du vecteur de sélection des nœuds, du vecteur d’allocation de sous-bandes et du jeu de sources décodées à la fin de l’intervalle précédent, t-1. Il est en outre conditionnel de la connaissance des réalisations du canal des liens directs (des gains du canal) ainsi que de . désigne le jeu des vecteurs de sélection (donc des nœuds sélectionnés) et des vecteurs d’allocation avec leur jeu de sources décodées associé déterminés pour les intervalles (rounds) précédant l’intervalle t, et le jeu de sources décodées par la destination. Il faut noter que est le vecteur de sélection des nœuds source transmettant pendant la phase de transmission, que est le vecteur d’allocation de sous-bandes allouées pour chaque source pendant la phase de transmission et que est le jeu de sources décodées par la destination à l’issue de la première phase.
L’événement de coupure commune pour le sous jeu de sources après l’intervalle de temps t (round t) est l’événement qu’au moins une source du sous-jeu n’est pas décodée correctement par la destination à la fin de cet intervalle t. Par la suite, les dépendances de à et à sont omises pour simplifier les notations. On note le jeu des sources non décodées avec succès par la destination à la fin de l’intervalle de temps t (round ).
D’un point de vue analytique, l’événement de coupure commune d’un sous jeu de sources intervient i.e. est satisfait si le vecteur des débits de ces sources n’est pas compris dans la région de capacité MAC correspondante.
Ainsi, pour un sous-jeu de sources donné, pour un vecteur candidat de nœuds sélectionnés et le vecteur d’allocation de sous-bandes correspondant, cet événement peut s’exprimer sous la forme :
(2)
traduit le non-respect de l’inégalité MAC associée au débit somme des sources contenues dans :
(3)
avec
  • l’index d’intervalle de temps (round) de la deuxième phase avec la convention que correspond à la fin de la première phase (phase de transmission), ,
  • l’index correspondant au nœud source, ,
  • l’index correspondant à n’importe quel nœud (source et relais), ,
  • le nombre de sous-bandes allouées au nœud pour l’intervalle de temps (round) ,
  • le nombre de sous-bandes allouées à la source par la destination pour la première phase,
  • (4)
avec ,représente le jeu de sources interférentes, vaut un si d’une part l’intersection entre le jeu de sources correctement décodées par le nœud à l’intervalle et l’ensemble n’est pas vide et d’autre part l’intersection entre le jeu de sources correctement décodées par le nœud à l’intervalle et le jeu de sources interférentes est vide,
  • représente le « et » logique,
  • représente les crochets d’Iverson i.e. qui donne la valeur 1 si l’événement est satisfait et la valeur 0 si non,
  • le bloc d’information mutuelle d’évanouissement du nœud à la destination pour les sous-bandes allouées au nœud à l’intervalle de temps :
(5)
où est l’information mutuelle entre le nœud auquel est allouée la sous-bande à l’intervalle de temps (round) et la destination . L’information mutuelle dépend de la puissance transmise sur la sous-bande du canal i.e. entre le nœud et la destination avec la puissance totale de ce nœud. Si le nœud i n’est pas sélectionné à l’intervalle de temps alors le bloc d’information mutuelle est nul.
  • le bloc d’information mutuelle d’évanouissement de la source à la destination , pour et donnés, à l’intervalle de temps correspondant à la phase de transmission(première phase),
  • est le débit utilisé pendant la première phase avec le nombre de bits d’information utile transmise sur utilisations de canal.
Par la suite l’évènement de coupure pour une source donné s est défini sous la forme :
qui est par définition l’intersection de tous les évènements de coupure commun correspondant à un jeu de sources incluant la source s. Une source s est en coupure si et seulement il n’existe aucun jeu de sources la comprenant qui puisse être associé à un décodage sans erreur, i.e., . Il vient :
Cet évènement de coupure indique si une source est décodée sans erreur ( ) ou si elle est en coupure . Cette approche permet de prédire le résultat de la mise en œuvre d’un contrôle de parité (CRC check) sans passer par la simulation de l’ensemble de la chaine d’émission (codage modulation) et de réception (détection/démodulation, décodage). En ceci, elle définit une abstraction de la couche physique. Certains ajustements obtenus par simulation (appelé calibration dans le cadre des abstractions de la couche physique) pour un schéma de codage donné peuvent être réalisés en introduisant des paramètres de pondération des informations mutuelles et/ou des SNR des liens.
Les deux phases de transmission du procédé de transmission peuvent être précédées d’une phase initiale de détermination d’un débit initial. Cette phase peut intervenir une fois toutes les plusieurs centaines de trames (i.e. à chaque fois que les statistiques de qualité du canal/lien changent) dans le cas « slow fading », on parle d’adaptation lente de lien. Ou cette phase peut intervenir beaucoup plus fréquemment et au plus à chaque cycle, on parle d’adaptation rapide de lien. Que l’adaptation de lien soit rapide ou lente, le débit de chaque source et l’allocation de sous-bandes sont connues avant le début de la transmission.
En exploitant des signaux de référence (symboles pilotes du type DMRS 3GPP LTE/NR, signaux de références du type SRS 3GPP LTE/NR, 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. La destination peut donc en déduire des valeurs moyennes pour les liens directs dans le cadre d’une adaptation lente.
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 dans le cadre d’une adaptation lente 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.
Dans le cadre d’une adaptation rapide, l’optimisation de l’efficacité spectrale peut s’appuyer sur une connaissance de tous les liens ou de certains liens. Une solution possible mais très couteuse en contrôle est que les sources et les relais remontent les coefficients des liens (quantifiés par sous bande) qu’ils peuvent estimer à la destination.
Pendant la phase initiale d’adaptation de lien qui précède la transmission d’une ou de plusieurs trames, la destination transmet pour chaque source s une valeur représentative (index, MCS, débit, etc) d’un débit initial . 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 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 de qualité de service, par exemple une efficacité spectrale moyenne.
Dans le cas d’une adaptation lente de lien la métrique de qualité de service est, selon un mode de réalisation, une efficacité spectrale moyenne qui s’exprime sous la forme :
(6)
avec
  • une variable représentant le débit initial alloué à la source ,
  • le nombre de données transmises sur utilisations du canal par la source i,
  • le nombre d’intervalles de temps utilisés pour les retransmissions coopératives ou non coopératives,
  • une moyenne du nombre d’intervalles de temps utilisés pour les retransmissions qu’elles soient coopératives ou non coopératives,
  • le taux d’erreur moyen bloc pour la sourcei.
Dans le cas d’une adaptation lente de lien, le débit et l’allocation de sous-bandes par source reste inchangés pendant plusieurs centaines de transmissions de messages des sources ce qui permet de moyenner le taux d’erreur bloc (BLER) de la source sur les statistiques du canal (CDI : Channel Distribution Information) connues de la destination. Une source i prend éléments de ressource pour transmettre au débit les données pendant l’intervalle de temps de la première phase.
Dans le cas d’une adaptation rapide de lien la métrique de qualité de service est, selon un mode de réalisation, une fonction d’utilité moyenne sous contrainte des coupures individuelles des sources définie par message transmis et le débit et l’allocation de sous-bandes peuvent changer d’un message au suivant :
(7)
avec
  • l’événement de coupure individuelle de la source i à l’intervalle t de retransmission qui vaut un en cas de défaut ou zéro en cas de succès (source correctement décodée), est l’événement de coupure individuelle à la fin de la phase de transmission (première phase d’un intervalle de temps),
  • le nombre d’intervalles de temps utilisés pour les retransmissions coopératives ou non coopératives (deuxième phase pouvant prendre la valeur 0 si ),
  • une variable représentant le débit initial alloué à la source , .
Un mode de réalisation d’un procédé de transmission selon l’invention est décrit à l’appui du schéma de la figure 2 qui illustre un cycle de transmission d’une trame dans le contexte d’un système OMAMRC à trois sources, deux relais, , une destination et un canal de transmission ayant une certaine largeur de bande. La bande est découpée en B= 5 sous-bandes et chaque sous-bande associée à un intervalle de temps détermine F=5 utilisations du canal soit N=25.
Pendant la première phase d’un intervalle de temps, chaque source émet ses mots de code. Selon l’exemple, le nombre de sous-bandes allouées à une source diffère entre les sources. Ainsi, les sous-bandes f1, f2et f5sont allouées à la source 1, la sous-bande f3est allouée à la source 2 et la sous-bande f4est allouée à la source 3. Le vecteur de sélection est donc . Le vecteur d’allocation de sous-bandes par nœud est donc .
Pendant la deuxième phase dite de retransmission et pour le premier intervalle de temps, seuls les sources 2, 3 et le relais 2 sont sélectionnés et la sous-bande f1est allouée à la source 3, les sous-bandes f2, f3et f4sont allouées au relais 5 et la sous-bande f5est allouée à la source 2. Le vecteur de sélection est donc . Le vecteur d’allocation de sous-bandes par nœud est donc .
Pendant la deuxième phase dite de retransmission et pour le deuxième intervalle de temps, seuls la source 1 et le relais 4 sont sélectionnés et les sous-bandes f1, f2et f5sont allouées au relais 4, les sous-bandes f3et f4sont allouées à la source 1. Le vecteur de sélection est donc . Le vecteur d’allocation de sous-bandes par nœud est donc .
Un mode de réalisation du protocole des échanges entre les nœuds et la destination est illustré par la figure 3.
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 : intervalle pour la 1èrephase de capacité utilisations du canal pour chaque source , intervalles pour la 2ephase de capacité utilisations du canal pour chaque source .
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 simultanément leur message pendant l’intervalle de transmission sur les sous-bandes allouées conformément au vecteur , 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.
Que ce soit pendant la première phase ou la deuxième phase, lorsqu’un nœud, en particulier une source transmet, la destination et les autres nœuds écoutent. Chaque nœud full-duplex peut transmettre et écouter simultanément tous les autres nœuds compte tenu que, pour transmettre, chaque nœud se voit allouer une ou des sous-bandes qui sont différentes entre les nœuds.
La destination, les sources et les relais tentent de décoder les messages reçus à la fin d’un intervalle de temps. Le succès du décodage à chaque nœud est décidé en utilisant le CRC. La destination et les nœuds déterminent ainsi leur jeu de sources correctement décodés.
Pendant la deuxième phase, à l’intervalle de temps (round) t, la destination transmet son jeu de sources correctement décodées à l’issue de l’intervalle de temps précédent en utilisant par exemple un canal de contrôle de diffusion de retour (feedback broadcast control channel). . Ce retour peut consister en un vecteur de M bits.
Si le décodage de toutes les sources par la destination est correct . Dans ce cas, le cycle courant est stoppé, un nouveau cycle peut démarrer. 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. Le nombre d’intervalle de temps (rounds) utilisés pendant la seconde phase dépend du succès de décodage à la destination.
Les nœuds, sources et relais, comparent le jeu à leur jeu de sources correctement décodées.
Si le jeu d’un nœud comprend au moins une source non incluse dans le jeu de la destination, le nœud en informe la destination en utilisant par exemple un canal de contrôle dédié de type unicast. L’information transmise par un nœud peut consister en son jeu de sources correctement décodées ou, comme illustrée par la figure 3, en un bit par exemple positionné à un.
Pendant cette deuxième phase, la destination suit une certaine stratégie pour décider du ou des nœuds sélectionnés qui transmettent à l’intervalle de temps (round) t.
La destination informe les nœuds de cette sélection en transmettant le vecteur en utilisant par exemple le canal de contrôle de diffusion de retour.
Chaque nœud qui reçoit le vecteur peut déterminer s’il est sélectionné et sur quelle(s) sous-bande(s) il doit transmettre.
Pendant cette deuxième phase et pour au moins un intervalle de retransmission parmi les intervalles de retransmission, au moins un nœud sélectionné, source ou relais, génèreune retransmission coopérative. En dehors du au moins un intervalle de temps, les retransmissions peuvent être coopératives ou non coopératives.
Le nœud sélectionné pour une retransmission transmet après un codage multi utilisateurs, les mots ou une partie des mots qu’il a correctement décodés. Le nœud sélectionné peut transmettre 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). 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.
La destination contrôle ainsi la transmission des nœuds en utilisant un canal de retour. Ceci permet d’améliorer l’efficacité spectrale et la fiabilité en augmentant la probabilité de décodage de toutes les sources par la destination.
Stratégie de sélection
Selon une première stratégie, la destination sélectionne ceux qui maximisent la somme des informations mutuelles parmi l’ensemble Zt des différentes allocations de sous-bandes aux nœuds qui peuvent aider à l’intervalle t. Cette stratégie ne nécessite que la connaissance des nœuds qui peuvent aider, elle est compatible du mode selon lequel les nœuds transmettent une information sous la forme d’un bit.
Le critère de sélection peut s’exprimer sous la forme :
(8)
avec le jeu des vecteurs possibles qui correspondent à la sélection des nœuds qui peuvent aider la destination à l’intervalle (round) t.
Sur la base des jeux de sources correctement décodées reçus des nœuds et selon une deuxième stratégie, la destination sélectionne les nœuds qui permettent d’obtenir le plus de sources nouvellement correctement décodées à la destination à l’issue de l’intervalle courant t i.e. qui maximisent la cardinalité du jeu des sources correctement décodées par la destination à l’issue de l’intervalle courant t.
Selon cette stratégie, le procédé passe en revue toutes les valeurs possibles du vecteur et retient celui qui conduit au plus grand nombre de sources nouvellement décodées. Ainsi, le procédé ne prend pas en considération les nœuds qui ne peuvent pas aider les sources non encore décodées puisqu’il vise au plus grand nombre de sources nouvellement décodées, i.e ; seuls sont considérés les nœuds i qui satisfont : pour .
Cette stratégie nécessite en outre la connaissance du jeu des sources correctement décodés de tous les nœuds précédemment sélectionnés.
Dans le cas où plusieurs vecteurs peuvent conduire au même nombre maximum de sources nouvellement décodées, le procédé choisit le vecteur qui maximise la somme des informations mutuelles. En effet, à un intervalle de temps t, il s’agit du seul élément qui peut être maximisé pour maximiser la partie droite des événements de coupure individuelle et des événements de coupure commune. La présence de dans l’expression de l’événement de coupure commune traduit le fait que les seuls nœuds pouvant être sélectionnés sont ceux pouvant aider i.e. ayant décodé au moins une source non encore décodée par la destination. Le critère de sélection peut alors s’exprimer sous la forme :
(9)
avec le jeu des nœuds candidats qui maximisent le jeu de la destination à l’issue de l’intervalle (round) t.
On peut noter que pour , les seuls nœuds candidats pour la première phase sont les sources, leur jeu de décodage correspond à elle-même et les nœuds relais ont un jeu de décodage vide.

Claims (10)

  1. Procédé de transmission de messages destiné à un système de télécommunication OMAMRC à sources , éventuellement relais ( ) et une destination ( ), , , , caractérisé en ce que la transmission est de type FDM sur une bande divisée en B sous-bandes orthogonales entre elles et le procédé est tel qu’il comprend :
    • une transmission simultanée des sources pendant un intervalle de temps avec allocation d’au moins une sous-bande par source et
    • au moins une retransmission coopérative d’un intervalle de temps d’au moins un nœud relais pris parmi les sources et les relais sélectionné selon une stratégie de sélection avec allocation d’au moins une sous-bande par nœud sélectionné,
    pour maximiser une métrique de qualité de service.
  2. Procédé de transmission de messages selon la revendication 1 selon lequel la stratégie de sélection est telle qu’un nœud relais qui décode un jeu de sources à un intervalle de temps t ne peut coopérer à un intervalle de temps t+1 que pour une seule source de son jeu.
  3. Procédé de transmission de messages selon la revendication 1 selon lequel :
    • la destination diffuse aux nœuds relais son jeu de sources correctement décodées parmi les sources reçues lors d’un intervalle de transmission,
    • les nœuds relais qui ont correctement décodées une source non correctement décodée par la destination en informe la destination,
    • la destination diffuse aux nœuds relais un vecteur ( ) comprenant les nœuds relais sélectionnés pour les sous-bandes pour la retransmission coopérative ou non coopérative pendant l’intervalle de transmission suivant.
  4. Procédé de transmission selon la revendication précédente selon lequel un nœud relais informe la destination en transmettant un seul bit dans un canal de contrôle.
  5. Procédé de transmission selon la revendication 3 selon lequel un nœud relais informe la destination en transmettant son jeu de sources correctement décodées.
  6. Procédé de transmission selon la revendication 5 selon lequel la destination sélectionne les nœuds relais lui permettant de décoder correctement le plus de sources à l’issue de la retransmission.
  7. Procédé de transmission selon la revendication 6 selon lequel la destination sélectionne les nœuds relais tel que la somme des informations mutuelles entre les nœuds pouvant aider avec leurs sous bandes allouées et la destination est maximisée.
  8. Procédé de transmission selon l’une des revendications précédentes avec adaptation lente de lien et tel que des débits alloués aux sources sont déterminés pour maximiser une métrique exprimée sous la forme d’une fonction d’utilité moyenne sous contrainte d’un BLER individuel moyen pour chaque source :
    avec
    • une variable représentant le débit initial alloué à la source ,
    • le nombre de données transmises sur utilisations du canal par la source i,
    • le nombre d’intervalles de temps utilisés pour les retransmissions coopératives ou non coopératives,
    • une moyenne du nombre d’intervalles de temps utilisés pour les retransmissions coopératives ou non coopératives,
    • le taux d’erreur bloc pour la sourcei.
  9. Procédé de transmission selon l’une des revendications 1-7 avec adaptation rapide de lien et tel que des débits alloués aux sources sont déterminés pour maximiser une métrique exprimée sous la forme d’une fonction d’utilité moyenne sous contrainte des coupures individuelles des sources :
    avec
    • la probabilité de coupure individuelle de la source i à l’intervalle t de retransmission coopérative ou non coopérative,
    • le nombre de retransmissions coopératives ou non coopératives,
    • une variable représentant le débit initial alloué à la source , .
  10. Système comprenant sources ( ), relais ( ) et une destination ( ), , , pour une mise en œuvre d’un procédé de transmission selon l’une des revendications 1 à 9.
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