Analyse des performances de réseaux coopératifs à relais multiples

Dans une communication coopérative, des nœuds relais coopèrent conjointement avec un nœud source afin de transmettre ses informations vers sa destination. Ceci permet d'augmenter la fiabilité de la communication lorsque le canal entre la source et la destination est de mauvaise qualité.Les communications coopératives à plusieurs relais présentent un intérêt grandissant dans le domaine des communications. En effet, la présence de plusieurs relais favorise l'exploitation des propriétés des systèmes MIMO telles le Multiplexage Spatial (SM) et la diversité. Cependant, plusieurs techniques de communication à relais multiples se limitent au modèle avec des relais à une seule antenne. De plus, les modèles de communication supposent une connaissance parfaite du canal de transmission au récepteur, ce qui ne reflète pas le cas réel d'une transmission sur un canal radio à évanouissements. Finalement, la communication coopérative à sauts multiples (à plusieurs niveaux de relais) a été étudiée partiellement. Les travaux antérieurs se sont limités à des modèles simples de réseau (généralement à deux sauts) et à des transmissions avec codage spatio-temporel unitaire. Afin de remédier à toutes ces limitations du modèle de communication coopérative à relais multiples, nous développons et analysons des modèles qui intègrent chacune de ces contraintes.Le premier modèle développé considère des relais à plusieurs antennes exploitant les techniques de transmission Amplify-and-Forward (AF) ou bien Decode-and-Forward (DF) avec une connaissance parfaite ou imparfaite des canaux de transmissions aux récepteurs. Les relais utilisent un codage spatio-temporel distribué (pour augmenter la diversité) ou le multiplexage spatial distribué (pour accroitre le taux de transmission). Dans le but d'améliorer la fiabilité de la communication à un taux de transmission fixe, nous proposons une technique de communication adaptative décentralisée basée sur la sélection entre le codage spatio-temporel et le multiplexage spatial à une valeur de SNR (rapport signal- à -bruit) donnée.Enfin, nous développons et analysons le modèle de la communication coopérative à plusieurs sauts (à plusieurs niveaux de relais) de transmission. Nous développons l'analyse du modèle de communication coopérative avec un nombre de sauts supérieur à trois, où le codage spatio-temporel est utilisé à un ou plusieurs niveaux de relais. Les résultats des simulations montrent les gains de performances et les comportements (en termes d'erreur) des nouveaux modèles de transmission développés. Ceci nous a permis de comprendre le comportement du réseau coopératif avec les techniques de transmissions proposées et d'en extraire les structures de réseau et techniques de transmission offrant les meilleures performances en taux d'erreur binaire.

Abstract

In a cooperative communication system, a set of relay nodes works jointly with a source node in order to forward its information to the destination. This technique permits to increase the reliability of the communication when the direct link is corrupted.Cooperative communications with multiple relays have an important interest in telecommunications. By the presence of multiple relay nodes, point-to-point MIMO properties such as spatial multiplexing and diversity could be exploited in this new type of communications. Meanwhile, many cooperation techniques with multiple relays are limited to the model where the relays are single antenna. Moreover, the system models assume a perfect Channel State Information (CSI) at the receiver, which is not the real case for a fading channel. Finally, multi-hop cooperative communication has been treated partially. The authors were limited in their works to double hops networks (generally small number of hops) and to transmissions with space-time coding with unitary code matrices. In order to rectify these limitations in the system model of cooperative communications with multiple relays, we develop and analyze system models that include each of these constraints.The first developed system model assumes MIMO relay nodes using AF or DF transmission techniques with a perfect CSI or imperfect CSI at the receivers. The relay nodes exploit distributed space-time coding (to strengthen the communication) or distributed spatial multiplexing (to increase the transmission rate). To increase the communication reliability at a fixed transmission rate, we propose a decentralized selection technique between space-time coding and spatial multiplexing based on the estimated SNR.Finally, we develop and analyze the model of a multi-hop cooperative communication. We develop the analysis of the multi-hop (multi-levels) cooperative communication model where the space-time coding is used at one or many relays' levels. The simulation results show the performance gains and the behaviors (in error rates) of the new developed system models. This help us to understand better the behavior of the cooperative system using the proposed transmission techniques and then extract the network structure and transmission technique providing the best error rate performances.