Spectrum-sharing under interference constraints

26 Octobre 2010

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Catégorie : Soutenance de thèse

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Résumé de la thèse: le spectre électromagnétique est une ressource naturelle dont l'usage doit être optimisé. Un grand nombre de travaux actuels visent à améliorer l'utilisation des fréquences radio en y introduisant un degré de flexibilité rendu possible par l'agilité en forme d'onde et en fréquence permise par la radio logicielle (SDR), ainsi que par les méthodes de traitement intelligent du signal (radio cognitive). Cette thèse se place dans ce contexte.

Concrètement, nous considérons le problème de partage du spectre électromagnétique entre plusieurs utilisateurs sous contraintes d'interférence mutuelle. Notre objectif est de contribuer à l'évaluation du gain du partage de cette ressource rare qu'est le spectre électromagnétique. En étudiant le canal gaussien d'interférence avec l'interférence traitée comme du bruit additif gaussien aux différents récepteurs, nous avons trouvé une description géométrique et plusieurs caractérisations de la région des débits atteignables.

Ensuite, considérant un cas plus réaliste où chaque utilisateur a une certaine qualité de service, nous avons trouvé une condition nécessaire et suffisante pour permettre la communication simultanée à travers le canal gaussien d'interférence pour deux utilisateurs. Dans un scénario de partage entre un utilisateur primaire ayant une plus grande priorité d'accès au spectre et un utilisateur secondaire, après avoir déterminé des bornes minimales pour le débit du primaire en fonction du schéma d'allocation de puissance de l'utilisateur secondaire, nous avons proposé une technique originale d'allocation de puissance pour l'utilisateur secondaire accédant de manière opportuniste au spectre sous contraintes de performance de coupure pour tous les utilisateurs. En particulier, cette technique d'allocation de puissance n'utilise que l'information sur l'état des canaux des liens directs allant de l'émetteur secondaire vers les autres points du réseau.

Finalement, considérant des modèles de canaux plus réalistes; après avoir montré l'existence d'une zone d'exclusion autour du récepteur primaire (zone où il n'y a aucun transmetteur secondaire, dans le but de protéger l'utilisateur primaire contre les fortes interférences), nous avons caractérisé l'effet du shadowing et du path-loss sur cette zone d'exclusion du primaire.

Abstract: in this thesis, we address the problem of spectrum-sharing for wireless communication where multiple users attempt to access a common spectrum resource under mutual interference constraints. Our objective is to evaluate the gains of sharing by investigating different scenarios of spectrum access. Studying the Gaussian Interference Channel with interferences considered as noise, we found a geometrical description and several characteristics of the achievable rate region. Considering a more realistic scenario, with each user having a certain QoS, we found necessary and sufficient condition to be fulfilled for simultaneous communication over the two-user Gaussian Interference Channel. Furthermore, we proposed two lower bounds for a single-primary-user mean rate, depending on the secondary user power control scheme. Specially, we investigated an original power control policy, for a secondary user, under outage performance requirement for both users and partial knowledge of the channel state information. Finally, considering a spectrumsharing with a licensee or primary user and several secondary or cognitive users, we showed the existence of an exclusive region around the primary receiver and we characterized the effects of shadowing and path-loss on this exclusive region (or no-talk zone).

Composition du jury

• Pr. Philippe GODLEWSKI, Telecom Paristech, rapporteur
• Dr. David GESBERT, EURECOM Sophia-Antipolis, rapporteur
• Pr. Merouane DEBBAH, SUPELEC, examinateur
• Dr. Christophe LE MARTRET, Thales, examinateur
• Dr. Berna SAYRAC, Orange Labs, examinateur
• Pr. Inbar FIJALKOW, ENSEA, directeur de thèse
• Mr. Patrick TORTELIER, Orange Labs, co-directeur de thèse

Current publications

Journal papers:

[1] P. Tortelier and A. Bagayoko, “On the achievable rate region of the Gaussian interference channel: the two and three-user cases,” Annals of Telecommunications, October 2009, Online, available: http://www.springerlink.com/content/p5524607963308m7.

[2] A. Bagayoko, P. Tortelier and I. Fijalkow “Power control of spectrum-sharing in fading environment with partial channel state information,” IEEE transactions on Signal Processing, accepted with minor changes (AQ).

Conferences:

[3] A. Bagayoko, P. Tortelier and I. Fijalkow “Impact of shadowing on the primary exclusive region in cognitive networks,”European Wireless 2010, Lucca, Italy, April 2010.

[4] A. Bagayoko, P. Tortelier and I. Fijalkow “Simultaneous outage performance in a spectrum-sharing fading environment,”IEEE SPAWC, Marrakeck, Morocco, June 2010.

[5] A. Bagayoko, P. Tortelier and I. Fijalkow “Spectrum-Sharing Power Control with Outage Performance Requirements and Direct Links CSI Only,” IEEE PIMRC, Istanbul, Turkey, September 2010.

[6] A. Bagayoko, P. Tortelier and I. Fijalkow “Allocation de puissance dans le partage du spectre avec une connaissance partielle des canaux,” Gretsi 2009, Dijon, France, September 2009.