Traffic-Aware Scheduling and Feedback Reporting in Wireless Networks

Matha DEGHEL
Soutenance de thèse de doctorat le 22 Mai 2017, 09h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi Mesny

Demand of wireless communication systems for high throughputs continues to increase, and there are no signs this trend is slowing down. Three of the most prominent techniques that have emerged to meet such demands are OFDMA, cooperative relaying and MIMO. To fully utilize the capabilities of systems applying such techniques, it is essential to develop efficient scheduling algorithms and, more generally, efficient resource allocation algorithms. Classical studies on this subject investigate in much detail settings where the data requests of the users are not taken into consideration or where the perfect and full CSI is assumed to be available for the scheduling mechanism. In practice, however, different limitations may result in not having perfect or full CSI knowledge, such as limited feedback resources, probing cost and delay in the feedback process. Accordingly, in this thesis we examine the problems of scheduling and feedback allocations under realistic considerations concerning the CSI knowledge. Analysis is performed at the packet level and considers the queueing dynamics in the systems with arbitrary arrival processes, where the main performance metric we adopt is the stability of the queues. The first part of the thesis considers a multipoint to multipoint MIMO system with TDD mode under limited backhaul capacity and taking into account the feedback probing cost. Regarding the interference management technique, we apply interference alignment (IA) if more than one pair are active and SVD if only one pair is active. The second part of the thesis considers a multiuser multichannel OFDMA-like system where delayed and limited feedback is accounted for. Two scenarios are investigated, namely the system without relaying and the system with relaying. For the latter one, an additional imperfection we account for is that the users have incomplete knowledge of the fading coefficients between the base-station and the relay.

Jury:

M. Vincent K. N. LAU  Hong Kong       University of Science and Technology  Rapporteur

M. Jean-Marie GORCE                        NSA Lyon                                             Rapporteur

M. Anthony EPHREMIDES                  University of Maryland, College Park   Examinateur

M. Jianwei  HUANG Chinese               University of Hong Kong                      Examinateur

M. Michel  KIEFFER                             Université Paris-Sud                           Examinateur

Mme Laura  COTTATELLUCCI            Eurecom                                              Examinateur

M. Mérouane DEBBAH                        CentraleSupélec                                 Directeur de thèse

M. Mohamad ASSAAD                        CentraleSupélec                                 CoDirecteur de thèse

Semantically-Secured Message-Key Trade-off over Wiretap Channels with Random Parameters

Séminaire le 4 Mai 2017, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Alexander Bunin, Faculty of Electrical Engineering at the Technion-Israel Institute of Technology, Israel.

Modern communication systems usually present an architectural separation between error correction and data encryption. The former is typically realized at the physical layer by transforming the noisy communication channel into a reliable "bit pipe". The data encryption is implemented on top of that by applying cryptographic principles.

Physical layer security (PLS) rooted in information-theoretic principles, is an alternative approach to provably secure communication. This approach dates back to Wyner's celebrated 1975 paper on the wiretap channel (WTC). By harnessing randomness from the noisy communication channel and combining it with proper physical layer coding, PLS guarantees protection against computationally-unlimited eavesdroppers with no requirement that the legitimate parties share a secret key (SK) in advance. The eavesdroppers computational abilities are of no consequence here since the signal he/she observes from the channel carries only negligible information about the secret data.

Two fundamental questions in PLS are those of the best achievable transmission rate of a secret message (SM) over a noisy channel, and the highest attainable SK rate that distributed parties can agree upon. Our work studies the trade-off between SM and SK rates simultaneously achievable over a state-dependent wiretap channel WTC with non-causal channel state information (CSI) at the encoder. This model subsumes all other instances of CSI availability as special cases, and calls for an efficient utilization of the state sequence both for reliability and security purposes. We derive an inner bound on the SM-SK capacity region based on a novel superposition coding scheme. Our inner bound improves upon the previously best known SM-SK trade-off result by Prabhakaran et al., and to the best of our knowledge, upon all other existing lower bounds for either SM or SK for this setup. The results are derived under the strict semantic-security metric that requires negligible information leakage for all message-key distributions. The achievability proof uses the strong soft-covering lemma for superposition codes.
The talk is based on joint work with: Z. Goldfeld and H. H. Permuter (Ben-Gurion University of the Negev, Israel), S. Shamai (Technion - Israel Institute of Technology), P. W. Cuff (Princeton University) and P. Piantanida (CentralSupelec).
The work of A. Bunin and S. Shamai has been supported by the European Union's Horizon 2020 Research And Innovation Programme, grant agreement no. 694630.

Broadcasting with delayed CSIT: finite SNR analysis and heterogeneous feedback

Chao HE
Soutenance de thèse de doctorat le 2 Décembre 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

One of the key techniques for future wireless networks, namely state-feedback enabled interference mitigation, is explored with information theoretical tools under some realistic settings. In order to verify the usefulness of delayed CSIT in harsh situations, we investigate it with finite SNR and/or feedback heterogeneity in a broadcast communication setup. In the first part of this dissertation, we are mainly interested in the finite SNR performance of delayed CSIT and the uniformity across the results in Gaussian channel and in erasure channel. Several relatively simple schemes are proposed in multi-user broadcast channels when states are assumed to be fully known at the destinations but only strictly causally at the transmitter. Enhancement in terms of higher symmetric rates and more input alphabet options are then characterized when analyzing the corresponding regions in Gaussian/erasure cases. In the second part of this dissertation, algorithms adapted to distinct feedback heterogeneities are targeted as only part of communication nodes are involved in the feedback process. In particular, we concentrate on 1) broadcast channel with feedback from partial receivers, 2) broadcast relay channel with feedback at the relay. Improvements on achievable rates are justified in either cases via analysis and some examples.

 

Devant le jury composé de :

 

Michel KIEFFER                         Professeur (Université Paris-Sud)                      Président du jury

Inbar FIJALKOW                        Professeur (ENSEA)                                           Rapporteur

Albert Guillén i FABREGAS       Professeur (Universitat Pompeu Fabra)             Rapporteur

David GESBERT                        Professeur (EURECOM)                                     Examinateur

Michèle Angela WIGGER           Professeur associé (Télécom ParisTech)            Examinateur

Samir M. PERLAZA                   Chargé de recherche (INRIA Lyon)                     Examinateur

Sheng YANG                              Enseignant-Chercheur (CentraleSupélec)           Directeur de thèse

Pablo PIANTANIDA                   Enseignant-Chercheur (CentraleSupélec)           Co-encadrant

Efficacité énergétique et spectrale dans les réseaux 5G

Iyad LAHSEN-CHERIF
Soutenance de thèse de doctorat le 2 Décembre 2016, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle des séminaires du L2S

La pénurie d'énergie et le manque d'infrastructures dans les régions rurales représentent une barrière pour le déploiement et l'extension des réseaux cellulaires. Les approches et techniques pour relier les stations de base (BSs) entre elles à faible coût et d'une manière fiable et efficace énergiquement sont l'une des priorités des opérateurs. Ces réseaux peu denses actuellement, peuvent évoluer rapidement et affronter une croissance exponentielle due principalement à l'utilisation des téléphones mobiles, tablettes et applications gourmandes en bande passante. La densification des réseaux est l'une des solutions efficaces pour répondre à ce besoin en débit élevé. Certes, l'introduction de petites BSs apporte de nombreux avantages tels que l'amélioration du débit et de la qualité du signal, mais entraîne des contraintes opérationnelles telles que le choix de l'emplacement des noeuds dans ces réseaux de plus en plus denses ainsi que leur alimentation. Les problèmes où la contrainte spatiale est prépondérante sont bien appropriés à la modélisation par la géométrie stochastique qui permet une modélisation réaliste de distribution des BSs. Ainsi, l'enjeu est de trouver de nouvelles approches de gestions d'interférence et de réductions de consommation énergétique dans les réseaux sans fil. Le premier axe de cette thèse s'intéresse aux méthodes de gestion d'interférence dans les réseaux cellulaires se basant sur la coordination entre les BSs, plus précisément, la technique Coordinated MultiPoint Joint Transmission (CoMP-JT). En CoMP-JT, les utilisateurs en bordure de cellules qui subissent un niveau très élevé d'interférences reçoivent plusieurs copies du signal utile de la part des BSs qui forment l'ensemble de coordination. Ainsi, nous utilisons le modèle $r$-$l$ Square Point Process (PP) à fin de modéliser la distribution des BSs dans le plan. Le processus $r$-$l$ Square PP est le plus adapté pour modéliser le déploiement réel des BSs d'un réseaux sans fil, en assurant une distance minimale, ($r$ - $l$), entre les points du processus. Nous discutons l'impact de la taille de l'ensemble de coordination sur les performances évaluées. Ce travail est étendu pour les réseaux denses WiFi IEEE 802.11, où les contraintes de portées de transmission et de détection de porteuse ont été prises en compte. Dans le deuxième axe du travail, nous nous intéressons à l'efficacité énergétique des réseaux mesh. Nous proposons l'utilisation des antennes directionnelles (DAs) pour réduire la consommation énergétique et améliorer le débit de ces réseaux mesh. Les DAs ont la capacité de focaliser la transmission dans la direction du récepteur, assurant une portée plus importante et moins d'énergie dissipée dans toutes les directions. Pour différentes topologies, nous dérivons le nombre de liens et montrons que ce nombre dépend du nombre de secteurs de l'antenne. Ainsi, en utilisant les simulations, nous montrons que le gain, en énergie et en débit, apporté par les DAs peut atteindre 70% dans certains cas. De plus, on propose un modèle d'optimisation conjointe d'énergie et du débit adapté aux réseaux WMNs équipés de DAs. La résolution numérique de ce modèle confortent les résultats de simulation obtenus dans la première partie de cette étude sur l'impact des DAs sur les performances du réseaux en termes de débit et d'énergie consommée. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet collaboratif (FUI16 LCI4D), qui consiste à concevoir et à valider une architecture radio ouverte pour renforcer l'accès aux services broadband dans des lieux ne disposant que d'une couverture minimale assurée par un réseau macro-cellulaire traditionnel.

Mots-clés :  Coordinated MultiPoint, Géométrie stochastique , Réseaux mesh, Optimisation

Composition du jury

M. André-Luc BEYLOT        Professeur à l'ENSEEIHT, Toulouse     Rapporteur
M. Anthony BUSSON          Professeur à l'Université de Lyon 1     Examinateur
M. Bernard COUSIN            Professeur à l'Université de Rennes1     Examinateur
M. Steven MARTIN              Professeur à l'Université Paris 11     Examinateur
Mme Lynda MOKDAD         Professeur à l'Université Paris 12     Rapporteur
Mme Véronique VEQUE      Professeur à l'Université Paris 11     Directeur de thèse
Mme Lynda ZITOUNE          Maître de Conférence à l'ESIEE, Paris     Co-encadrant de thèse

Distributed Information Gathering and Estimation in Wireless Sensor Networks

Wenjie LI
Soutenance de thèse de doctorat le 15 Novembre 2016, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Wireless sensor networks (WSNs) have attracted much interests in the last decade. The first part of this thesis considers sparse random linear network coding is for data gathering and compression in WSNs. An information-theoretic approach is applied to demonstrate the necessary and sufficient conditions to realize the asymptotically perfect reconstruction under MAP estimation. The second part of the thesis concerns the distributed self-rating (DSR) problem, for WSNs with nodes that have different ability of performing some task (sensing, detection...). The main assumption is that each node does not know and needs to estimate its ability. Depending on the number of ability levels and the communication conditions, three sub-problems have been addressed: i) distributed faulty node detection (DFD) to identify the nodes equipped with defective sensors in dense WSNs; ii) DFD in delay tolerant networks (DTNs) with sparse and intermittent connectivity; iii) DSR using pairwise comparison. Distributed algorithms have been proposed and analyzed. Theoretical results assess the effectiveness of the proposed solution and give guidelines in the design of the algorithm.

Membres du jury :

M. Cédric RICHARD, Professeur (Université de Nice Sophia Antipolis),  Rapporteur
M. Jean-Marie GORCE, Professeur (INSA Lyon), Rapporteur
Mme. Béatrice LAROCHE,  Directeur de recherche (INRA), Examinatrice
M. Fabio FAGNANI,  Professor (Politecnico di Torino), Examinateur
M. Davide DARDARI, Associate Professor (University of Bologna), Examinateur
M. Michel KIEFFER,  Professeur (Université Paris-Sud), Directeur de thèse
Mme. Francesca BASSI, Enseignant-Chercheur (ESME-Sudria), Co-encadrant de thèse

Some results on the existence of equilibria and stability of dc linear networks with constant power loads.

Séminaire le 13 Juillet 2016, 11h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Prof. Robert Griñó, Polytechnic University of Catalonia

The presentation will show some results on the existence of equilibria in dc electrical networks that supply to constant power loads (CPLs). Specifically, a necessary condition for the existence, which is also sufficient for the case one and two CPLs, will be presented. Besides, a sufficient condition, based on the negative imaginary systems concept, that assures local stability for all the range of possible equilibria will be shown for the case of a dc linear network with a single ideal or finite-bandwidth CPL.

Réseaux sans fil avec connaissance du canal imparfaite

Sheng YANG
Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) le 30 Juin 2016, 11h30 à

La connaissance parfaite du canal dans un réseau sans fil est cruciale pour réduire de l’interférence entre les utilisateurs. Cependant, à cause des contraintes de délais et de ressource limité, cette connaissance est souvent bruitée ou retardée aux émetteurs/récepteurs. Etudier les limites fondamentales de la communications avec information adjacente imparfaite a donc une importance à la fois théorique et pratique.

 

La thèse d’HDR présente de nouveaux progrès dans cet axe. Notamment, l’influence des voies de retour et de la coopération sur les performances des réseaux de communication ainsi que l’impact de la manque de connaissance de phase du canal dans un canal MIMO ont été explorés en utilisant la théorie de l’information. Les résultats obtenus couvrent de différentes applications ,tel que les réseaux hétérogènes, la communication sécurisée, les réseaux de diffusion de contenu, et la communication par fibre optique.

Composition du Jury

Prof. Philippe CIBLAT, Telecom ParisTech (Examinateur)

Prof. Mérouane DEBBAH, CentraleSupélec (Examinateur)

Dr. Pierre DUHAMEL, L2S, CNRS  (Examinateur)

Dr. Walid HACHEM, LTCI, CNRS (Rapporteur)

Prof. Syed Ali JAFAR, University of California, Irvine (Rapporteur)

Prof. Gerhard KRAMER, TU Munich   (Rapporteur)

Prof. Hikmet SARI, CentraleSupélec (Invité)

Topological Interference Management

Séminaire le 28 Juin 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Dr Syed Ali Jafar

Abstract:

Studies of the degrees of Freedom (DoF) of wireless communication networks often focus on clever ways to exploit an abundance of channel knowledge which is rarely available in practice while ignoring topological aspects that are the basis of most robust interference management schemes. Topological interference management refers to a complementary perspective where the focus is on exploiting network topology under limited channel knowledge. Progress in this direction includes the discovery that optimal interference avoidance is essentially the index coding problem, that interference alignment plays a central role in this problem even though no precise knowledge of channel realizations is available, a new set of conditions for the approximate optimality of treating interference as noise, novel outer bounds based on aligned image sets, and connections to network coding problems such as distributed storage repair, multiple unicasts and private information retrieval. This talk will summarize the advances in the broad area of topological interference management and highlight some of the key open problems.


Biography:

Syed Ali Jafar received his B. Tech. from IIT Delhi, India, in 1997, M.S. from Caltech, USA, in 1999, and Ph.D. from Stanford, USA, in 2003, all in Electrical Engineering. His industry experience includes positions at Lucent Bell Labs, Qualcomm Inc. and Hughes Software Systems. He is a Professor in the Department of Electrical Engineering and Computer Science at the University of California Irvine, Irvine, CA USA. His research interests include multiuser information theory, wireless communications and network coding.

Dr. Jafar received the Blavatnik National Laureate in Physical Sciences and Engineering in 2015, the UCI Academic Senate Distinguished Mid-Career Faculty Award for Research in 2015, the School of Engineering Mid-Career Excellence in Research Award in 2015, the School of Engineering Maseeh Outstanding Research Award in 2010, the ONR Young Investigator Award in 2008, and the NSF CAREER award in 2006. His co-authored papers received the IEEE Information Theory Society Best Paper Award in 2009, IEEE Communications Society Best Tutorial Paper Award in 2013, IEEE Communications Society Heinrich Hertz Award in 2015, IEEE Signal Processing Society Young Author Best Paper Award (to student co-authors) in 2015, an IEEE GLOBECOM Best Paper Award in 2012 and an IEEE GLOBECOM Best Paper Award in 2014. Dr. Jafar received the UC Irvine EECS Professor of the Year award five times, in 2006, 2009, 2011, 2012, and 2014, from the Engineering Students Council and the Teaching Excellence Award in 2012 from the School of Engineering. He was a University of Canterbury Erskine Fellow in 2010 and an IEEE Communications Society Distinguished Lecturer for 2013-2014. Dr. Jafar was recognized as a Thomson Reuters Highly Cited Researcher and included by Sciencewatch among The World's Most Influential Scientific Minds in 2014 and again in 2015. He served as Associate Editor for IEEE Transactions on Communications 2004-2009, for IEEE Communications Letters 2008-2009 and for IEEE Transactions on Information Theory 2009-2012. Dr. Jafar was elevated to IEEE Fellow, Class of 2014, for contributions to analyzing the capacity of wireless communication networks.

Développement et Application des bornes issus de la théorie de l'information à certaines types de problèmes de coordination

Achal AGRAWAL
Soutenance de thèse de doctorat le 14 Juin 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Avec la montée de la connectivité entre les appareils (internet des objets), nouvelles possibilités de coordination entre les différentes entités ont ouvert. En même temps, des résultats récents, issus de la théorie de l'information, ont fourni des limites pour la performance que tout système de coordination pourrait atteindre sous certaines structures d'information. Dans cette thèse, nous développons ces résultats théoriques dans le but de les rendre plus facilement applicable aux problèmes pratiques. À cet égard, la contribution de cette thèse est double: 1) En outre développer les résultats théoriques pour fournir un aperçu de la structure des solutions au problème d'optimisation posés dans les travaux anterieurs , ainsi que la généralisation des résultats. 2 ) Développer des algorithmes qui exploitent le cadre théorique fourni par les

travaux antérieurs pour concevoir des mécanismes de coordination pratiques, décentralisées et robustes. La généralité de l'approche se prête à diverses applications, dont les éléments suivants ont été traités: optimisation de puissance dans les réseaux sans fil, planification de la consommation d'énergie dans les applications de réseau intelligent, ainsi que Witsenhausen contre-exemple, un problème important issu de la théorie du contrôle. Diverses possibilités sont encore à venir pour exploiter le cadre et les outils développés ici.En effet, ils pourraient être utiles même dans des domaines qui ne sont pas abordés dans cette thèse, mais qui nécessitent une coordination entre les agents avec des informations différentes à la disposition de chacun.

 

Jury:

M, Assaad, Mohamad Professeur Adjoint, CentraleSupelec Examinateur
M, Chahed, Tijani Professeur, Telecom SudParis Examinateur
M, Gesbert, David Professeur, EURECOM Rapporteur
M, Lasaulce, Samson Directeur de Recherche, CNRS Directeur de thèse
M, Millerioux, Gilles Professeur, Université de Lorraine Examinateur
M, Yezekael, Hayel Maître de Conférences, Université d'Avignon Rapporteur

Cooperative Relaying Protocols and Distributed Coding Schemes for Wireless Multiterminal Networks

Abdulaziz MOHAMAD
Soutenance de thèse de doctorat le 10 Mai 2016, 14h30 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Avec la croissance rapide des appareils et des applications mobiles, les besoins en débit et en connectivité dans les réseaux sans fil augmentent rapidement. Il est prouvé que les communications coopératives peuvent augmenter significativement l’efficacité spectrale et la fiabilité des transmissions entre les nœuds extrémaux. Le concept de coopération dans un réseau sans fil compte parmi les sujets de recherche les plus actifs en télécommunications, le but étant d'identifier les stratégies de coopération qui maximiseraient les gains en efficacité spectrale et en puissance d'émission. Pour coopérer, les nœuds du réseau partagent leurs ressources (énergie, bande de fréquence, etc.) pour améliorer mutuellement leurs transmissions et leurs réceptions. Dans les réseaux sans fil avec relais, les relais sont des nœuds dédiés à améliorer la qualité de la communication entre les nœuds sources et destination.

Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur un réseau sans fil avec relais spécifique où l'ensemble de sources (mobiles) veulent communiquer leurs messages à une destination commune (station de base) avec l'aide d'un ensemble de relais (contexte cellulaire, sens montant). Nous étudions, sur les plans théorique et pratique, un schéma coopératif dans lequel les relais, après une durée d'écoute fixée a priori, essayent de décoder les messages des sources et commencent à transmettre des signaux utiles pour ceux qui sont décodés correctement. Ces signaux utiles sont le résultat d'un codage canal-réseau conjoint.

Une des limitations du système coopératif précédent est précisément que le temps d'écoute des relais est figé et ne peut pas être adapté à la qualité fluctuante (aléatoire) des liens instantanés sources-relais. Pour pallier cette difficulté, nous proposons et analysons, dans une seconde partie de la thèse, un schéma de coopération plus avancé où le temps d'écoute de chaque relais peut être dynamique. Dans ces conditions, un relais bénéficiant d'une meilleure qualité de réception des sources peut commencer à coopérer plus tôt que d'autres relais ayant une qualité de réception moindre.

Enfin, dans la troisième et dernière partie de la thèse, nous considérons la présence d'une information de retour limitée (limited feedback) entre la destination et les sources et les relais, et tentons de caractériser l'efficacité spectrale d'un tel système.

Jury:

Antoine O. BERTHET  Directeur de thèse  CS – L2S CNRS UMR 8506 - Gif sur Yvette
Alister BURR  Examinateur  University of York – UK
Jean-Pierre CANCES  Rapporteur  XLIM CNRS UMR 7252 - Limoges
Pierre DUHAMEL  Examinateur  L2S CNRS UMR 8506 – Gif sur Yvette
Florian KALTENBERGER  Rapporteur  Rapporteur, Eurecom - Biot
Soon Xin NG (Michael)  Examinateur  University of Southampton - UK
Raphaël VISOZ  Co-directeur de thèse  Orange Labs – Issy les Moulineaux

Systèmes MIMO : Conception, Estimation du Canal et Détection

Chien-Chun CHENG
Soutenance de thèse de doctorat le 12 Janvier 2016, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-06

Cette  thèse  aborde  plusieurs  problèmes  fondamentaux  des  systèmes  de  communications  sans  fil avec  des  antennes  multiples,  dites  systèmes  MIMO  (multiple  input,  multiple  output).  Les contributions  se  situent  aussi  bien  au  niveau  des  algorithmes  de  réception  qu’au  niveau  de  la génération  du  signal  à  l’émission.  La  plus  grande  partie  de  la  thèse  est  dédiée  à  l’étude  des algorithmes de réception. Les points abordés comprennent la modélisation et l’estimation du canal, la  détection  robuste  des  symboles,  et  la  suppression  des  interférences.  Un  nouveau  modèle  de canal  est  proposé  dans  le  chapitre  3  en  exploitant  les  corrélations  dans  les  domaines  temporel, fréquentiel  et  spatial,  et  en  réduisant  l’espace  des  paramètres  aux  termes  dominants.  Ce  modèle est  utilisé  pour  proposer  ensuite  un  estimateur  de  canal  à  faible  complexité  et  aussi  un  sélecteur de mots de code pour envoyer vers l’émetteur les informations sur l’état du canal. Dans le chapitre 4, la réception robuste est étudiée pour les systèmes MIMO­OFDM sans une connaissance parfaite du canal. Des récepteurs robustes sont proposés pour les cas avec ou sans connaissance statistique du  canal.  La  conception  de  récepteurs  pour  les  systèmes  MIMO­OFDM  en  présence  d’interférence est  étudiée  dans  le  chapitre  5  et  des  récepteurs  robustes  sont  proposés  prenant  en  compte séparément l’interférence causée par les ondes pilotes et celle causée par les symboles d’une part et  l’asynchronisme  entre  le  signal  et  l’interférence  d’autre  part.  Dans  la  deuxième  partie  de  la thèse (chapitre 6), nous abordons les modulations spatiales qui sont particulièrement adaptées aux systèmes  MIMO  dans  lesquels  le  nombre  de  chaines  d’émission  est  inférieur  aux  nombre d’antennes. Remarquant que l’efficacité spectrale de ces systèmes reste très faible par rapport à la technique  de  multiplexage  spatiale,  nous  avons  développé  des  modulations  spatiales  améliorées (ESM,  pour  Enhanced  Spatial  Modulation)  qui  augmentent  substantiellement  l’efficacité  spectrale. Ces  modulations  sont  basées  sur  l’introduction  de  modulations  secondaires,  obtenues  par interpolation.  La  technique  ESM  gagne  plusieurs  décibels  en  rapport  signal  à  bruit  lorsque  les constellations  du  signal  sont  choisies  de  façon  à  avoir  la  même  efficacité  spectrale  que  dans  les modulations spatiales conventionnelles.

Composition du jury proposé:

M. Hikmet SARI     CentraleSupélec   Directeur de thèse
M. Yu T. SU     National Chiao Tung University (NCTU)   CoDirecteur de thèse
M. Luc  VANDENDORPE     Université Catholique de Louvain (UCL)   Rapporteur
M. Lajos  HANZO     University of Southampton   Rapporteur
M. Pierre  DUHAMEL     CentraleSupélec   Examinateur
M. Chung­Ju  CHANG     National Chiao Tung University (NCTU)   Examinateur
M. Serdar SEZGINER     Sequans Communications   Examinateur
M. Dirk  SLOCK     Eurecom   Examinateur


Mots­clés : Systèmes MIMO,Estimation du Canal,Détection Symbole

Stochastic geometry analysis and optimization of mimo-aided LTE-A cellular networks

Peng Guan
Soutenance de thèse de doctorat le 16 Décembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

The main focus of this thesis is on performance analysis and system optimization of Long Term Evolution - Advanced (LTE-A) cellular networks by using stochastic geometry.

Mathematical analysis of cellular networks is a long-lasting difficult problem. Modeling the network elements as points in a Poisson Point Process (PPP) has been proven to be a tractable yet accurate approach to the performance analysis in cellular networks, by leveraging the powerful mathematical tools such as stochastic geometry. In particular, relying on the PPP-based abstraction model, this thesis develops the mathematical frameworks to the computations of important performance measures such as error probability, coverage probability and average rate in several application scenarios in both uplink and downlink of LTE-A cellular networks, for example, multi-antenna transmissions, heterogeneous deployments, uplink power control schemes, etc. The mathematical frameworks developed in this thesis are general enough and the accuracy has been validated against extensive Monte Carlo simulations. Insights on performance trends and system optimization can be done by directly evaluating the formulas to avoid the time-consuming numerical simulations.

Jury members

M. Pierre DUHAMEL, L2S, CNRS, France, Président
M. Laurent DECREUSEFOND, Telecom ParisTech, France, Rapporteur

M. Ali GHRAYEB, Texas A&M University at Qatar, Qatar, Rapporteur
M. François BACCELLI, INRIA, France/University of Texas at Austin, USA, Examinateur

M. Robert SCHOBER, University Erlangen-Nürnberg, Germany, Examinateur
M. Anthony BUSSON, Université Lyon 1, France, Directeur de thèse

M. Marco DI RENZO, L2S, CNRS, France, Co-Directeur de thèse

 

New Results on Stochastic Geometry Modeling of Cellular Networks: Modeling, Analysis and Experimental Validation.

Wei LU
Soutenance de thèse de doctorat le 16 Décembre 2015, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-05

L'hétérogénéité et l’irrégularité croissante des déploiements des réseaux sans fil de nouvelles générations soulèvent des défis importants dans l’évaluation de performances de ces réseaux. Les modèles classiques s’appuyant sur des modèles hexagonaux pour décrire les emplacements géographiques des nœuds de transmission sont difficilement adaptables à ces réseaux. Dans ce contexte, il a été proposé un nouveau paradigme de modélisation des réseaux sans fil qui s’appuie sur les processus ponctuels de Poisson (PPP), et de manière générale sur la géométrie stochastique. L'analyse, au travers de ces outils mathématiques, présente une complexité indépendante de la taille du réseau, et permet d’estimer avec précision des quantités pratiques liées aux performances des réseaux cellulaires. Cette thèse a porté sur la faisabilité mathématique de l'approche fondée sur les PPP en proposant de nouvelles méthodes mathématiques d’approximations justes incorporant des modèles de propagation du canal radio. Dans un premier temps, un nouveau cadre mathématique, considéré comme une approche Equivalent-in-Distribution (EiD), a été proposée pour le calcul exact de la probabilité d'erreur dans les réseaux cellulaires. L'approche proposée, s’appuyant donc sur la géométrie aléatoire et des modèles spatiaux, montre une complexité faible en terme d’évaluation numérique et est applicable à un grand nombre de configurations MIMO pour lesquelles nous considérons différentes techniques de modulation et techniques de récupération du signal. Dans un deuxième temps, nous étudions les performances des réseaux cellulaires en présence de relais, où trois processus ponctuels de Poisson modélisent respectivement les nœuds relais, les stations de base, et les terminaux mobiles. Pour ce modèle, nous avons considéré des critères souples d'association. Le cadre mathématique proposé et les résultats associés ont montré que les performances dépendent fortement des exposants des fonctions d’atténuation sur les deux premiers sauts sans fil. Nous montrons aussi qu’une mauvaise configuration du réseau peut amener à des gains négligeables de l’utilisation de cette technique. Enfin, nous considérons la modélisation des réseaux cellulaires au travers d’un PPP et d’un modèle unifié d'atténuation de signal généralisée qui prend en compte deux types de liaisons physiques : line-of-sight (LOS) et non-line-of-sight (NLOS). Un modèle de complexité réduite décrivant les propriétés de la liaison radio a aussi été proposée et permet de prendre en compte dans nos calculs un grand nombre de modèle radio proposés dans la littérature. Les résultats montrent, entre autres, qu’une densité optimale pour le déploiement des BS existe lorsque les liens LOS/NLOS sont classés en fonction de leur charge. Nous comparons nos résultats, s’appuyant donc sur un PPP pour modéliser la position des stations de bases et notre modèle de canal radio, avec des simulations de Monte Carlo décrivant des déploiements réels de stations de bases et un modèle de type blocages de construction empiriques. Une bonne correspondance est observée.

Jury:

M. Anthony BUSSON  Université Lyon 1  Directeur de thèse
M. Marco DI RENZO  L2S, CNRS  Co-Directeur de thèse
M. Pierre DUHAMEL  L2S, CNRS  Examinateur
M. François BACCELLI  INRIA  Rapporteur
M. Robert SCHOBER  Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg  Rapporteur
M. Laurent DECREUSEFOND  Télécom ParisTech  Examinateur
M. Ali GHRAYEB  Texas A&M University at Qatar  Examinateur


Mots-clés :  géométrie stochastique,réseaux cellulaire,relais,,

Stratégies distribuées d'allocation des ressources blocs dans un réseau OFDMA pour garantir un niveau de service donné

Fan HUANG
Soutenance de thèse de doctorat le 16 Décembre 2015, 10h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40


La recherche effectuée dans cette thèse a pour cadre les réseaux radio privés dédiés aux forces de sécurité civile. En effet, doté    actuellement d'un service bande étroite, ils doivent évoluer pour faire face à de nouveaux besoins comme la vidéo ou le multimédia.    L'objectif est donc d'adapter la technologie LTE aux contraintes et propriétés de ces réseaux particulier. Ainsi, le nombre d'utilisateurs est limité mais le service doit toujours être disponible et des priorités peuvent être mises en œuvre.

Dans ce contexte, l'allocation des ressources de communication est un problème important avec des prérequis différents des réseaux d'opérateurs. Notre conception d'algorithmes d'allocation a donc été menée avec deux objectifs principaux : maximiser l'efficacité du    spectre et servir équitablement les utilisateurs au lieu de maximiser le débit global du réseau.

Cette thèse propose des nouvelles stratégies de l'allocation des blocs de ressources (RB) dans les systèmes LTE sur le lien descendant. Au contraire des algorithmes classiques d'allocation des ressources qui se basent sur la capacité de RB déjà estimée, nos stratégies d'allocation des RB cherchent à améliorer le débit utilisateur, en utilisant la coopération à base de Beamforming et les modèles de la théorie des jeux.

1. L'interférence inter-cellulaire est le principal problème des systèmes OFDMA. Grâce aux antennes MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output), technique de Beamforming améliore le signal reçu afin d'augmenter le SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio), mais le signal amélioré peut également influencer l'interférence inter-cellulaire dans les cellules voisines. Dans les méthodes traditionnelles, le contrôleur alloue les RBs aux UEs (User Equipement) en fonction de la capacité des RB et d'autres paramètres, le système applique alors la technique de Beamforming aux équipements utilisateurs choisis. Après la formation des faisceaux, la capacité des RB varie mais l'ordonnanceur conserve la même allocation. Au contraire, notre système alloue les RBs et choisit les vecteurs de Beamforming    conjointement pour améliorer les performances de la technique de Beamforming. Il accroît le débit moyen en augmentant la capacité    moyenne du RB. Comme plusieurs paramètres sont pris en compte, la complexité augmente exponentiellement aussi. Dans cette thèse, nous avons développé une méthode itérative pour réduire la complexité. Notamment, elle améliore de plus de 10% le débit des utilisateurs en bord de la cellule.

2. Contrairement aux performances des algorithmes qui maximisent le débit global du réseau, les approches d'allocation de ressources à base de théorie des jeux maximisent la fonction d'utilité des UE du point de vue économique. Si le modèle a une solution NBS (Nash    Bargaining Solution) il offre une solution optimale de Pareto de la fonction d'utilité.

L'allocation traditionnelle est d'optimiser l'allocation de sous-porteuses à chaque intervalle de temps, mais dans le système OFDMA, les sous-porteuses sont formées de RBs dans le temps. Nous proposons une approche RB NBS, qui est plus efficace que les schémas existants. Nous analysons les canaux de fast-fading et les comparons sans l'influence de l'atténuation. En raison de la grande atténuation de signal en bordure de la cellule, l'utilisateur a toujours des RB de plus faible capacité que celui au centre de la cellule. Notre idée est d'ajouter un facteur de compensation pour combattre l'influence de la perte de propagation. Les facteurs de    compensation sont soigneusement choisis afin de maximiser la fonction NBS. Cependant, le calcul de ces facteurs a une grande    complexité et nous développons quatre solutions approchées qui donnent les mêmes performances avec une bonne précision.    L'évaluation des performances de notre approche confirme que notre méthode et ses solutions approchées sont capables de partager équitablement les ressources sur toute la cellule.

 

Composition du jury :


Mme Véronique VÈQUE   Professeur, (Université Paris-Sud)   Directrice de thèse
Mme Joanna TOMASIK       Professeur (Centrale/Supélec et LRI)   Co-directrice de thèse
M. Marceau COUPECHOUX   Maître de conférence (Télécom ParisTech)   Rapporteur
Mme Megumi KANEKO   Assistant Professeur (Kyoto University)   Rapporteur
M. André-Luc BEYLOT   Professeur (IRIT)   Examinateur
M. Steven MARTIN      Professeur (LRI)   Examinateur
M. Jean-Christophe SCHIEL   Ingénieur (Airbus DS)   Directeur de thèse
M. Djamal ZEGHLACHE   Professeur (Télécom SudParis)  Examinateur

délisation et optimisation de l’interaction entre véhicules électriques et réseaux d’électricité : apport de la théorie des jeux

Olivier BEAUDE
Soutenance de thèse de doctorat le 24 Novembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40

Cette thèse étudie l’interaction technico-économique entre véhicules électriques et réseaux d’électricité. Le développement récent de la mobilité électrique invite en effet à analyser les impacts potentiels de la recharge de ces véhicules sur les réseaux électriques, mais aussi le soutien que ces véhicules pourraient apporter dans les réseaux du futur. Ce travail s’inscrit résolument dans le cadre des réseaux d’électricité intelligents ; la plupart des résultats de cette thèse s’appliquent tout aussi bien à un lave-linge, un chauffe-eau, une télévision tant qu'on leur prête la capacité d’intelligence !

Dès lors que les décisions des consommateurs électriques flexibles interagissent, ce cadre d’étude offre un terrain de jeu propice aux outils de la théorie des jeux. L’apport de ces outils est présenté dans cette thèse selon trois axes :

1)    Apport algorithmique : proposition et analyse d’un algorithme pour coordonner la charge de véhicules électriques dans un périmètre commun du réseau d’électricité. Les outils des jeux de potentiel sont utilisés ;

2)    Apport pour l’échange d’information : comment un consommateur électrique prêt à se rendre flexible doit-il donner une image de son besoin à un opérateur du réseau ? Ce problème est à la croisée des chemins entre Cheap-talk en théorie des jeux et quantification en traitement du signal ;

3)    Jeu des acteurs : analyse stratégique de la situation où des coalitions contenant un grand nombre de véhicules électriques (flottes) coexistent avec des véhicules individuels (particuliers). Application des outils très récents de jeux composites.

En fil rouge, le cas des profils de charge rectangulaires (à puissance constante et sans interruption) – soutenu par de nombreux arguments pratiques mais souvent délaissé par les chercheurs – est analysé. Des simulations sont effectuées dans le cadre d’un réseau de distribution d’électricité français réaliste. C’est la maille du réseau qui pourrait subir les premiers impacts significatifs d’une charge non-coordonnée…elle offre un terrain d’expérimentation idéal pour les méthodes de cette thèse !

 

Membres du jury:


BASTARD Patrick       Directeur Ingénierie, ADAS, Véhicule Autonome, Technologies électroniques (Renault SAS)  Invité
DAAFOUZ Jamal        Professeur (CRAN, Université de Lorraine)    Examinateur
DEBBAH Mérouane        Vice-président R&D France Huawei             Président du jury
ERNST Damien                Professeur (Université de Liège), titulaire de la chaire EDF-Luminus sur les Smart grids   Rapporteur
HENNEBEL Martin         Professeur assistant (GeePs - CentraleSupélec)          Encadrant de thèse
LARAKI Rida                  Directeur de Recherche CNRS (LAMSADE)                        Examinateur
LASAULCE Samson    Directeur de Recherche CNRS (L2S - CentraleSupélec)       Directeur de thèse
MOHAND-KACI Ibrahim  Ingénieur (Renault SAS)    Encadrant de thèse
MOULINES Éric              Professeur (École polytechnique)            Rapporteur

Méthodes de codage et d'estimation adaptative appliquées aux communications sans fil

Florence Alberge
Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) le 20 Novembre 2015, 14h00 à

Les recherches et les contributions présentées portent sur des techniques de traitement du signal appliquées aux communications sans fil. Elles s'articulent autour des points suivants : (1) estimation adaptative de canaux de communication dans différents contextes applicatifs, (2) optimisation de schémas de transmission pour la diffusion sur des canaux gaussiens avec/sans contrainte de sécurité, (3) correction de bruit impulsionnel dans des systèmes multi-porteuse, (4) analyse, interprétation et amélioration des techniques itératives de décodage (turbo-codes, codes LDPC,...) par le biais de l'optimisation, de la théorie des jeux et des outils statistiques. Les deux derniers thèmes seront détaillés lors de l'exposé.

Composition du jury:

Didier Le Ruyet    Professeur, CNAM, Paris    Rapporteur
Charly Poulliat      Professeur, ENSEEIHT, Toulouse    Rapporteur
Catherine Douillard     Professeure, Télécom Bretagne    Examinatrice
Pierre Duhamel     Directeur de recherches CNRS – L2S   Examinateur 
Jean-François Hélard    Professeur,   INSA Rennes   Examinateur

 

Mismatched decoding

Séminaire le 22 Octobre 2015, 11h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Salle du conseil du L2S - B4.40
Dr. Guillen i Fabregas

This talk will review the mismatched decoding problem. In particular, the talk will review the fundamental limits of mismatched channel-decoder pairs in a point-to-point setup, with particular focus on random coding ensembles, achievable information rates and the corresponding error exponents.

Bio:
Albert Guillén i Fàbregas was born in Barcelona in 1974. In 1999 he received the Telecommunication Engineering Degree and the Electronics Engineering Degree from Universitat Politècnica de Catalunya and Politecnico di Torino, respectively, and the Ph.D. in Communication Systems from Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in 2004.
Since 2011 he has been a Research Professor of the Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) at the Department of Information and Communication Technologies,
Universitat Pompeu Fabra. He is also an Adjunct Researcher at the Department of Engineering, University of Cambridge, where he was a Reader and a Fellow of Trinity Hall. He has held appoinments at the New Jersey Institute of Technology, Telecom Italia, European Space Agency (ESA), Institut Eurecom, University of South Australia, as well as visiting appointments at TelecomParisTech (Paris), Universitat Pompeu Fabra, University of South Australia, Centrum Wiskunde & Informatica and Texas A&M University in Qatar. His research interests are in information theory, coding theory and communication theory. Dr. Guillén i Fàbregas received the Starting Grant from the European Research Council, the Young Authors Award of the 2004 European Signal Processing Conference, the 2004 Best Doctoral Thesis Award from the Spanish Institution of Telecommunications Engineers, and a Research Fellowship of the Spanish Government to join ESA. He is an Associate Editor of the IEEE Transactions on Information Theory and of the Foundations and Trends in Communications and Information Theory, Now Publishers. He is also a Senior Member of IEEE,  a member of theYoung Academy of Europe and was an Editor of the IEEE Transactions on Wireless Communications (2007-2011).

Fronthaul Compression for Cloud Radio Access Networks: An Information Theoretic View

Séminaire le 28 Septembre 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette) Amphi F3-09
Prof. Shlomo Shamai, EE Department, Technion-Israel Institute of Technology

Cloud radio access networks (C-RANs) emerge as appealing architectures for next-generation wireless/cellular systems whereby the processing/decoding is migrated from the local base-stations/radio units (RU) to a control/central units (CU) in the *cloud*. This is facilitated by fronthaul links connecting the RUs to the managing CUs. We focus on oblivious processing at the RU, and hence the fronthaul links carry digital information about the baseband signals, in the uplink from the RUs to the CU and vice versa in the downlink. The high data rate service demands in C-RANs, imply that even with fast (optical) front hauls, let alone for heterogeneous fronhauls, efficient compression of the basedand signals is essential. In this talk we focus on advanced robust signal processing solutions, emerging by network information theoretic concepts, and review also the basic approaches to this cloud network. Multi-hop fronthaul topologies are also discussed. Analysis and numerical results illustrate the considerable performance gains to be expected for different cellular models. Some interesting theoretical directions conclude the presentation.

Gestion de la mobilité dans les réseaux Ad Hoc par anticipation des métriques de routage

Sabrine NAIMI
Soutenance de thèse de doctorat le 22 Juillet 2015, 14h00 à CentraleSupelec (Gif-sur-Yvette)

Avec le succès des communications sans fil, il devient possible d'accéder au réseau partout et à tout moment sans avoir recours à connecter physiquement les appareils communicants à une infrastructure. Les nœuds (ordinateurs portables, smartphones, etc) peuvent analyser les différents canaux radio afin de pouvoir s'associer à un réseau sans fil disponible (station de base, point d'accès, etc.) Un avantage indéniable de ses technologies sans fil est la possibilité d'être mobile tout en restant connecté. Cependant, la mobilité est une tâche difficile à gérer car elle doit être abordée à différentes couches pour être transparente aux utilisateurs. Dans les MANET (Mobile Ad hoc Network), les protocoles de routage utilisent des métriques pour sélectionner les meilleures routes. Les métriques peuvent refléter la qualité de la liaison sans fil et aider à gérer la mobilité.
Mais, un retard important entre l'estimation des métriques et leur inclusion dans le processus de routage rend cette approche inefficace.

Les travaux de cette thèse s'intéressent à la proposition de nouvelles méthodes de calcul des métriques de routage pour gérer le problème de la mobilité dans les réseaux ad hoc. Les nouvelles métriques doivent refléter la qualité du lien et être sensibles à la mobilité en même temps. Nous considérons les métriques classiques, en particulier ETX (Expected Transmission Count) et ETT (Expected Transmission Time). Nous introduisons de nouvelles méthodes pour anticiper les valeurs de ces métriques en utilisant des algorithmes de prédiction. Nous utilisons une approche Cross layer, qui permet l'utilisation conjointe de l'information à partir des couches 1, 2 et 3. La validation de nouvelles méthodes de calcul des métriques de routage nécessite une évaluation au travers d'un véritable banc d'essai. Nous avons donc également mis en oeuvre les nouvelles métriques de routage dans un testbed afin d'évaluer et de comparer leurs performances avec les métriques classiques.

Mots clés :
ETX, métrique, Ad Hoc, réseau sans fil, mobilité, anticipation


Membres du jury:

Directeur de thèse   Mme Véronique VÈQUE   Professeur (Université Paris-Sud)
Directeur de thèse  Mr Ridha BOUALLEGUE   Professeur (Université Tunis El Manar)
Co-directeur de thèse  Mr Anthony BUSSON   Professeur (Université Lyon 1)

Rapporteurs:
Mme Béatrice PAILLASSA   Professeur (Université de Toulouse)
Mme Kaouther SETHOM    Maître de conférences (Université de Carthage Tunis)

Examinateurs:
Mr Anis LAOUTI Enseignant-Chercheur (TELECOM SudParis)
Mme Anne FLADENMULLER Maître de Conférences HDR ( Université Pierre et Marie Curie)

Sequential strategies based on kriging

Emmanuel VAZQUEZ
Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) le 15 Juillet 2015, 14h30 à

Emmanuel Vazquez entered the Ecole Normale Supérieure de Cachan in 1997 and was awarded the Agrégation de Physique Appliquée in 2000. In 2001, he obtained a Diplôme d'Etudes Approfondies in Mathematics for Vision and Learning, from the Ecole Normale Supérieure de Cachan. He received the Ph.D. degree in 2005 from the Orsay-Paris XI University, with a thesis on kernel-based non-linear systems black-box modeling. Since 2004, he is working at Supélec, now CentraleSupélec, as Associate Professor.

His research work focuses on sequential Bayesian search strategies and the design and analysis of computer experiments. This work is driven by a question central to many industrial problems: how to optimize the performance of a system using numerical simulations?  In particular, when simulations are time-consuming, it becomes essential to consider optimization algorithms that use the information provided by the simulations as efficiently as possible. The idea of the Bayesian approach for optimization is to use a random process as a model of the function to be optimized. Then, the optimization is performed by making evaluations of the function in sequence, each evaluation being chosen in order to minimize a criterion that quantifies the expected loss, under the random process model, incurred by taking the best evaluation result collected so far instead of the true unknown optimum. Both theoretical and practical aspects are considered in this work.

Membres du Jury :

* Fabrice Gamboa, Prof. Institut de Mathématiques de Toulouse
* Josselin Garnier, Prof. Univ. Paris-Diderot
* Bertrand Iooss, Ingénieur-Chercheur EDF R&D
* Luc Pronzato, DR CNRS
* Michèle Sébag, DR CNRS

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