Techniques avancées de formation de voie collaborative distribuée et robuste pour les nouvelles applications des futurs réseaux sans fil 5G+/6G et de l’IDO.

Ben Smida, Oussama (2023). Techniques avancées de formation de voie collaborative distribuée et robuste pour les nouvelles applications des futurs réseaux sans fil 5G+/6G et de l’IDO. Thèse. Québec, Doctorat en télécommunications, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 160 p.

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Résumé

Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) qui sont une technologie prometteuse qui a gagné en popularité ces dernières années. Le coût abordable et la flexibilité de déploiement des WSNs per mettent de nouvelles applications. Cependant, la nature distribuée des WSNs présente des défis pour la conception de la communication en raison de la courte portée de transmission des nœuds de capteur individuels. Une solution à ce problème est d’utiliser la formation de voie collaborative (CB) pour transmettre les données dans les WSNs. CB est efficace pour transmettre des données à longue distance tout en répartissant la consommation d’énergie sur un groupe de nœuds de capteur. CB est une technique importante pour améliorer les performances de la communication et de la cou verture dans les réseaux sans fil. Cependant, les défis existent dans l’emplacement des terminaux pour maximiser les performances de CB. Une nouvelle solution de formation de voie collaborative est proposée pour assurer une com munication à un ou plusieurs sauts d’une source à un récepteur via un réseau sans fil formé de K terminaux, en fonction des caractéristiques des erreurs d’estimation du canal dans les environ nements monochromatiques (ligne de mire), bichromatique ou polychromatiques (en présence de diffuseurs et réflecteurs). On suppose que tous les terminaux, équipés d’une seule antenne isotrope, sont répartis de manière indépendante et uniforme sur un disque situé dans le même plan contenant à la fois la source et le récepteur dans un premier temps puis on considère un réseau de capteurs sans fils à disposition connue et déterministe (un réseau rectangulaire ou carré par exemple). La ligne de mire (LoS) et les phénomènes multi-voies sont pris en compte, respectivement dans les scénarios monochromatique, bichromatique et polychromatique, où les poids sont conçus pour maintenir la puissance désirée égale à l’unité tout en minimisant le bruit. Une solution analytique est dérivée en utilisant le CB robuste dans le cas monochromatique (RM-DCB) alors qu’une expression asympto tique des poids est présentée dans le CB robuste dans le cas polychromatique (RP-DCB) qui assure des performances quasi-optimales. Nous exploitons la loi des grands nombres en fonction de K afin d’assurer l’implémentation distribuée. Les performances résultantes de notre algorithme dans les scénarios testés sont validées par des simulations à des valeurs pratiques des différents paramètres d’intérêt pour prouver la robustesse et l’efficacité de la solution proposée. On présente aussi nos contributions dans le projet d’évaluation des candidats de la technologie d’interface radio et de l’ensemble de RITSs (SRITs) aux nouveaux standards ITU-R WP 5D IMT 2020 dans le cadre des mandats CEG et ISED, ce qui a été l’objet de plusieurs publications. Étant une des rares équipes de recherche qui ont contribué à ce projet au Canada, on a non seulement évaluer les différents candidats proposés mais on propose aussi de nouvelles techniques qui permettent de simplifier la complexité des simulations qui pouvaient prendre des semaines, voir des mois à cause de la mémoire que prennent les communications machine-to-machine (D2D).

Wireless Sensor Networks (WSNs) are a promising technology that has gained popularity in recent years. The affordable cost and deployment flexibility of WSNs allow for new applications. However, the distributed nature of WSNs presents challenges for communication design due to the short transmission range of individual sensor nodes. One solution to this problem is to use Collaborative Beamforming (CB) to transmit data in WSNs. CB is effective in transmitting data over long distances while distributing energy consumption across a group of sensor nodes. CB is an important technique to improve communication and coverage performance in wireless networks. However, there are challenges in terminal placement to maximize CB performance. A new CB solution is proposed to ensure the communication through one or more hops from a source to a receiver via a WSN formed of K terminals, based on the channel estimation error characteristics in monochromatic (line of sight), bi-chromatic or poly-chromatic environments (in the presence of scatterers and reflectors). It is assumed that all terminals, equipped with a single isotropic antenna, are independently and uniformly distributed over a disk located in the same plane containing both the source and the receiver in the first instance, then a known and deterministic WSN is considered (such as a rectangular or square network). Line of sight (LoS) and multi-path phenomena are taken into account, respectively in monochromatic, bichromatic and polychromatic scenarios, where weights are designed to maintain desired power equal to unity while minimizing noise. A closed-form solution is derived using robust CB in monochromatic scenario (RM-DCB) while an asymptotic expression of the weights is presented in robust CB in poly-chromatic scenario (RP-DCB) which ensures quasi-optimal performance. We leverage the law of large numbers based on K to ensure distributed implementation. The resulting performance of our algorithm in tested scenarios is validated by simulations with practical values of the different parameters of interest to prove the robustness and efficiency of the proposed solution. We also present our contributions in the evaluation project of radio interface technology (RITs) and SRITs candidates to the new ITU-R WP 5D IMT-2020 standards within the CEG and ISED mandates, which has been the subject of several publications. Being one of the few research teams that have contributed to this project in Canada, we not only evaluated the different proposed candidates but also proposed new techniques that simplify the complexity of simulations that could take weeks or even months due to machine-to-machine communications (D2D) high computational demand.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Affes, Sofiène
Mots-clés libres:	formation de faisceau collaboratif (CB); formation de faisceau distribué (DCB); formation de faisceau robuste (RDCB); réseau de capteurs sans fil (WSN); WSN déterministe ou aléatoire; positions des terminaux; grilles carrées et rectangulaires; écart angulaire faible à modéré à élevé; perturbation du canal; erreurs d’estimation du canal; synchronisation; localisation; direction d’arrivée (DoA); prédiction de canal; 5G; ETSI/DECT; évaluation des standards; densité de connexion (mMTC); fiabilité (URLLC); D2D; collaborative beamforming (CB); distributed CB (DCB); robust DCB (RDCB); wireless sensor network (WSN); deterministic or random WSN; nodes positions; square and rectangular grids;low to moderate to high angular spread; channel mismatch; channel estimation errors; synchronization; localization; direction-of-arrival (DoA); channel prediction; 5G; ETSI/DECT; technology evaluation; connection density (mMTC); reliability (URLLC)
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	31 août 2023 13:43
Dernière modification:	31 août 2023 13:43
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13530

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