Brevet FR3053193A1 — publié le 20171229

Procédé de transmission dynamique et sélectif FD-DSDF d'un signal numérique pour un système MARC/MAMRC avec relais full-duplex et une voie de retour limitée, produit programme et dispositif relais correspondants Domaine de l'invention De manière générale, la présente invention concerne le domaine des communications numériques. Plus précisément, le domaine de l'invention est celui de la transmission de données codées dans un réseau MARC (Multiple-Access Relay Channel) ou MAMRC (Multiple-Access Multiple Relay Channel). Un réseau MAMRC est un système de télécommunication qui, pour une destination donnée, comprend au moins quatre noeuds : au moins deux émetteurs et deux relais. Plus précisément, l'invention se rapporte au relayage et elle concerne l'amélioration de la qualité de la transmission des données, et en particulier l'amélioration des performances du décodage correcteur d'erreurs dans un récepteur (destination). Le relayage est mis en oeuvre par un relais qui coopère avec les sources pour obtenir une communication plus fiable entre les sources et la destination. On distingue deux types de fonctionnement pour le relais : le mode half-duplex et le mode full-duplex. 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 des réseaux de capteurs par exemple pour des remontées de mesures. Elle s'applique aux relais dits « Full Duplex » (FD) avec des liens entre les relais et la destination qui sont non orthogonaux (avec interférences). Dans la demande le lien est le canal de communication entre deux ou plusieurs noeuds, il peut être physique ou logique. Lorsque le lien est physique alors il est généralement appelé canal. Art antérieur Les réseaux, en particulier mobiles, sont à la recherche de gains significatifs en termes de capacité, de fiabilité, de consommation et autres. Le canal de transmission d'un réseau mobile est réputé difficile et conduit à une fiabilité de transmission relativement médiocre. Des progrès importants ont été réalisés ces dernières années, en matière de codage et de modulation, notamment pour des considérations de consommation et de capacité. En effet, dans un réseau mobile où plusieurs émetteurs/récepteurs partagent les mêmes ressources (temps, fréquence et espace) il faut réduire au maximum la puissance d'émission. Cette réduction va à l'encontre de la couverture et donc de la capacité du système et plus généralement de ses performances. Pour augmenter la couverture, fiabiliser les communications et plus généralement améliorer les performances, une approche consiste à s'appuyer sur des relais pour augmenter l'efficacité 3053193 2 spectrale (gain de codage) et donc améliorer l'efficacité de transmission et la fiabilité des systèmes (gain de diversité). La topologie de base des systèmes MARC illustrée par la figure 1 est telle que les sources, noeuds Si et S2, diffusent leurs séquences d'informations codées à l'attention du relais R et du destinataire D. Le relais décode les signaux reçus issus des sources Si et S2 et ré-encode 5 conjointement ceux-ci en ajoutant une redondance propre créant un code de réseau spatialement distribué vu du récepteur D. A la destination D, le décodage des trois séquences codées spatialement distribuées, comprenant les deux séquences codées reçues issues directement des sources Si et S2 et la séquence codée issue du relais, repose sur un algorithme de décodage conjoint d'un codage canal et d'un codage réseau dit décodage conjoint canal et réseau. 10 Le codage de réseau est une forme de coopération selon laquelle les noeuds du réseau partagent non seulement leurs ressources propres (puissance, bande, etc.) mais également leur capacité de calcul, pour créer un codage distribué de plus en plus puissant au fur et à mesure que l'information se propage à travers les noeuds. Il amène des gains substantiels en termes de diversité et de codage et donc de fiabilité de transmission. 15 Selon le mode full-duplex, le relais reçoit les nouveaux blocs d'information de la part des deux sources et transmet simultanément au destinataire une information basée sur les blocs reçus précédemment ; le relais peut donc recevoir et émettre simultanément sur une même bande fréquentielle ou sur des bandes différentes. Comparativement au relais half-duplex, le relais full-duplex permet d'atteindre une capacité plus grande. 20 La demande de brevet WO 2015197990 porte sur un système MARC selon lequel les sources émettent T messages dans des intervalles t de temps consécutifs. Chaque message est codé et chaque mot de code est composé de B blocs transmis dans des sous intervalles de temps successifs. L'accumulation des blocs de 1 à b est un mot de code d'un code dont le rendement diminue avec b, 1 b B. Le système met en oeuvre un protocole de relayage qui transmet 25 uniquement des mots décodés sans erreur selon une technique dite D-SDF (Dynamic Selective Decode and Forward). La détection d'erreur au relais est basée sur une vérification du CRC (abréviation de Cyclic Redundancy Check ) inclus dans les messages sources. Le caractère dynamique vient d'un schéma de sélection qui pilote le choix des mots décodés sans erreur qui participent au codage réseau avant émission par le relais. Par ailleurs, chaque relais inclus dans sa 30 transmission un signal de contrôle indiquant à la destination et aux autres relais, les messages des sources avec lesquels il coopère. 3053193 3 Ce protocole permet de contribuer à une augmentation de la probabilité à décoder correctement les messages reçus par le destinataire en ayant un schéma de sélection qui utilise à un intervalle courant de transmission des messages décodés sans erreur lors d'un intervalle précédent. Caractéristiques principales de l'invention 5 L'invention se rapporte à la transmission d'un signal numérique dans un réseau à au moins quatre noeuds comprenant deux émetteurs, au moins un relais et un destinataire permettant d'améliorer l'efficacité énergétique et spectrale de la transmission lorsque le relais est full duplex, qui peut donc recevoir et transmettre simultanément, tout en limitant la complexité de décodage au relais et à la destination. 10 L'invention a pour objet un procédé de relayage de messages mis en oeuvre par un système de télécommunication comprenant M sources, L relais relais full-duplex et une destination, M>1, L>1, le procédé comprenant par relais et pour un cycle courant de transmission de T intervalles de transmission, T un naturel, T > 1: décodage pour estimer un message par source à partir de blocs successifs reçus émis 15 pendant un intervalle t courant de transmission par une source S correspondant à un mot de (1) ( (b) code cs,t comprenant B blocs cs,t , cs,t2) , ... cs,t ..., ct) dont le premier peut être décodé de manière indépendante des autres blocs, un mot de code cs,t codant un message us,t de K bits, les sources émettant simultanément, avec K et B des naturels, B > 2, 1 1, L>l, pour un cycle courant de transmission de T intervalles de transmission, T un naturel, T > 1, comprenant : 3053193 4 un décodeur pour estimer un message par source, à partir de blocs successifs reçus émis pendant un intervalle t courant de transmission par une source S correspondant à un mot de (2) (b) code cs,t comprenant B blocs cs,t) , cs,t , ... cs,t ..., cs(B,2 dont le premier peut être décodé de manière indépendante des autres blocs, un mot de code cs,t codant un message us,t de K 5 bits, les sources émettant simultanément, avec K et B des naturels, B > 2, 1 1, L>1, comprenant : - un codeur de messages us,t de K bits comprenant un CRC en des mots de code cs,t , de type à redondance incrémentale finie pour délivrer à chaque sous intervalle de transmission 20 b = 1,2, ..., B d'un intervalle courant t de transmission d'un cycle courant de transmission de T intervalles de transmission, T un naturel, T > 1, un bloc tel tel que les B blocs successifs {cs(b2:1 b B} forment le mot de code tel tel que le premier bloc peut être décodé de manière indépendante des autres blocs et tel que les blocs suivants sont des bits de parité qui ajoutent une redondance au premier bloc, avec K et B des naturels, B > 2, 1 1. L'utilisation non optimale de la ressource radio conduit à un protocole simple, à une modification légère du relais par rapport à un relais full-duplex adapté à un 30 système MARC (avec un seul relais) et à une augmentation des informations utiles pouvant être exploitées par la destination au prix cependant d'un décodage réseau à la destination un peu plus complexe que dans celui d'un système MARC. Les ressources spectrales utilisées par les relais peuvent être différentes de celles utilisées par les sources. Plus le nombre de ressources spectrales différentes utilisées est important par rapport 3053193 9 au nombre de sources et de relais, plus la détection est simple au niveau de la destination : la destination doit résoudre moins de collisions. Par contre, l'augmentation du nombre de ressources spectrales différentes utilisées diminue l'efficacité spectrale du système. La description d'exemples de réalisation s'attache à traiter le cas où l'efficacité spectrale est maximisée, les autres cas se 5 déduisant par simplification des récepteurs soit au niveau du relais soit au niveau de la destination (ou les deux). Un relais qui écoute un ou plusieurs relais en plus des sources réceptionne les signaux comme le fait la destination dans un système MARC. C'est-à-dire qu'il détecte et décode simultanément les messages des sources et les informations transmises par les autres relais 10 représentatives de messages des sources décodés sans erreur par ces autres relais. Cette mise en oeuvre conduit à une utilisation optimale de la ressource radio et du codage réseau au prix toutefois d'une augmentation de complexité des relais et de la destination. Au même instant un seul ou plusieurs relais peuvent être actifs. Les relais peuvent tout aussi bien être des relais fixes que des relais mobiles. Compte tenu de 15 la densité de communications à transmettre dans des zones fortement peuplées, le nombre de relais peut être important et très supérieur à deux. En effet, pour couvrir de telles zones, des relais fixes peuvent être utilisés de préférence à des stations de base dont le coût peut être nettement supérieur. De manière alternative, des relais mobiles peuvent être utilisés. Ces relais mobiles sont typiquement des terminaux mobiles. 20 Selon un mode de réalisation, le procédé de relayage comprend un entrelacement par source pour laquelle un message est décodé sans erreur avant un codage réseau. L'entrelacement en entrée du codage réseau permet d'avoir à la destination une structure similaire à une concaténation parallèle (similaire à un turbo-code distribué). En fonction du type de décodage réseau à la destination les entrelacements peuvent être distincts ou pas entre les sources. 25 Selon un mode de réalisation, le codage réseau est suivi d'un premier entrelacement, d'un codage canal et d'un deuxième entrelacement distinct du premier. Le deuxième entrelacement permet d'attribuer une certaine signature au signal transmis par le relais qui permet de le distinguer à la destination des signaux transmis simultanément par les sources ou par un autre relais. 30 Après séparation à la destination du signal transmis par le relais, le premier entrelacement éventuellement variable en fonction du bloc permet une séparation (au sens de l'indépendance statistique) entre le codage réseau et le codage canal. Selon une implémentation préférée, les étapes du procédé de relayage sont déterminées par les instructions d'un programme de relayage incorporé dans un ou plusieurs circuits électronique 3053193 10 telles des puces elle-même pouvant être disposées dans des dispositifs électroniques du système MARC ou MAMRC. Le procédé de relayage selon l'invention peut tout aussi bien être mis en oeuvre lorsque ce programme est chargé dans un organe de calcul tel un processeur ou équivalent dont le fonctionnement est alors commandé par l'exécution du programme 5 En conséquence, l'invention s'applique également à un programme d'ordinateur, notamment un programme d'ordinateur sur ou dans un support d'informations, adapté à mettre en oeuvre l'invention. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable pour 10 implémenter un procédé selon l'invention. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une clé USB ou un disque dur. 15 Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question. D'autre part, le programme peut être traduit en une forme transmissible telle qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par 20 d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. L'invention a donc en outre pour objet un programme d'ordinateur sur un support d'informations comportant des instructions de programme adaptées à la mise en oeuvre d'un procédé de relayage d'un signal numérique selon l'invention, lorsque ledit programme est chargé et exécuté 25 dans un relais destiné à un système MARC ou MAMRC destiné à mettre en oeuvre le procédé de relayage. Et l'invention a en outre pour objet un support d'informations comportant des instructions de programme adaptées à la mise en oeuvre d'un procédé de relayage d'un signal numérique selon l'invention, lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans un relais destiné à un système 30 MARC ou MAMRC destiné à mettre en oeuvre le procédé de relayage. 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 simple exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels : 3053193 11 la figure 1 est un schéma illustrant la topologie de base d'un système MARC à deux sources St, S2, un relais R et une destination D, la figure 2 est un schéma illustrant la topologie de base d'un système MAMRC à M sources Si, ... , Sm, L relais tR1, R2, ..., RL} et une destination D, 5 la figure 3 est un schéma d'un mode de réalisation des étapes du procédé de relayage mises en oeuvre par une source S selon l'invention, la figure 4 est un schéma d'un mode de réalisation d'un relais selon l'invention, la figure 5 est un schéma du multiplexage en temps entre d'une part les transmissions des sources et des relais et d'autre part la voie de retour, 10 la figure 6 est un organigramme du procédé selon l'invention mis en oeuvre par le relais R, la figure 7 est un schéma d'un exemple de réalisation d'une source S selon l'invention, la figure 8 est un schéma d'un exemple de réalisation d'un relais R selon l'invention, la figure 9 est un schéma d'un exemple de réalisation d'un dispositif destinataire D selon l' invention. 15 Description de modes de réalisation particuliers Le contexte de l'invention est celui où plusieurs sources (émetteurs) S1,...,Sm veulent envoyer leurs messages respectifs à une destination commune D avec l'aide d'au moins un relais [R1, R2, ..., RL I full duplex comme illustré par la figure 2. Lorsqu'il y a plusieurs relais, chacun peut exploiter le signal émis par les autres relais. 20 Il n'y a aucune contrainte sur le canal de transmission ; il peut être à évanouissement rapide (fast fading) ou lent (slow fading), il peut être sélectif en fréquence, et il peut être MIMO. Dans la suite de la description, les noeuds (sources, relais et destination) sont supposées parfaitement synchronisés et les sources sont indépendantes (il n'y a pas de corrélation entre elles). Un cycle de transmission est décomposé en T intervalles de transmission (time slots). La 25 durée d'un cycle dépend du paramétrage du système et en particulier de la couche MAC selon le découpage en sept couches de l'OSI. A chaque intervalle de transmission, chaque source a un message de K bits à transmettre. Une information de type CRC fait partie du message de K bits transmis par une source et est utilisée pour déterminer si un message reçu est correctement décodé. Les T messages d'une source peuvent être indépendants entre eux ou peuvent être corrélés et 30 former une trame. Les sources émettent simultanément. Le relais tente de transmettre à la destination un signal utile représentatif des messages estimés et décodés sans erreur pour aider les communications entre 3053193 12 les sources et la destination. Le relais coopère avec les sources en exploitant éventuellement les signaux transmis par les autres relais du système actifs simultanément avec le relais. F2 est le corps de Galois à deux éléments, IR est le corps des réels et CC est le corps des complexes. 5 La figure 3 est un schéma d'un mode de réalisation des étapes du procédé de relayage selon l'invention mises en oeuvre par la source. A chaque intervalle de transmission t, t=1,...,T, chaque source S parmi les M sources {S1, S2, ..., Sm} a un message us,t comportant K bits d'information à transmettre, us,t E IF/2c. Le message us,t comprend un code de type CRC qui permet de vérifier l'intégrité du message us,t. 10 Les sources {S1, S2, ..., Sm} statistiquement indépendantes effectuent un codage du message us,t au moyen d'un code à redondance incrémentale et transforment le message us,t en ns bits notés Cs,t E Fn2s. Le mot cs.,t de code obtenu est segmenté en B blocs de redondance, chacun transmis pendant un sous intervalle, notés Cs(b) E F2ns,b avec b = 1,2, ... , B. Chaque bloc comprend ,t nsm bits, ns = Eb=i %m. Le code à redondance incrémentale peut être de type systématique, les 15 bits d'information sont alors inclus dans le premier bloc : us,t E Cs,t . Que le code à redondance incrémentale soit ou pas de type systématique, il est tel que le premier bloc cs,t parmi les B blocs peut être décodé de manière indépendante des autres blocs. Le rendement de codage le plus élevé à la source S est K/nsa et il ne peut pas être plus grand que un, nsa > K. Le rendement de codage minimum pour une source S est K/ns. Chaque bloc {4132: 1 1, est égale à l'ensemble des messages possibles au dernier sous-intervalle de l'intervalle t - 1 : t > 1, b = 1 Pt,initial = Pt,0 = Pt-1,B et 3053193 16 l'ensemble des messages possibles au début du premier sous-intervalle de l'intervalle t = 1 est vide : t = 1, b = 1 P1,initial = P1,0 = O. Si la destination décode correctement le message de la source S = {S1, ...,Sm} pendant le sous-intervalle b de l'intervalle t, elle remonte le signal de contrôle ACKs pendant le temps réservé 5 à la voie de retour fdb indiquant que le message de la source S est correctement décodé, comme illustré par la figure 5. Le relais déduit à partir de la voie de retour l'ensemble des messages correctement décodés SD,t,b par la destination à la fin du sous-intervalle b. Cet ensemble est contenu dans l'ensemble des messages possibles Pt,b SD,t,b Pt,b- 10 Les conditions initiales pour SD,t,b sont telles que l'ensemble des messages correctement décodés S - D,t,initial par la destination au début du premier sous-intervalle de l'intervalle courant, t, t > 1, est égal à l'ensemble des messages correctement décodés SD,t_1,B par la destination à la fin du dernier sous-intervalle de l'intervalle précédent, t - 1 : t > 1, b S = 1 - - D,t,initial = SD,t,o = SD,t-1,B et l'ensemble des messages correctement décodés S - D,1,initial par la destination à la fin du 15 premier sous-intervalle du premier intervalle, t = 1, est vide : t = 1, b = 1 SD,1,initial = SD,1,0 = O. Les conditions initiales pour SR,t,b sont telles que l'ensemble des messages correctement = SR,1,0 par le relais au premier sous-intervalle du premier intervalle, t = 1, est décodés S R,1,initial vide : t = 1, b = 1 SR,1,initial = SR,1,0 = 0. Le relais est donc silencieux lors du premier sous- 20 intervalle du premier intervalle de transmission. Si le relais reçoit le signal ACKs, deux cas peuvent se présenter. Soit le relais a déjà correctement décodé le message us,t de la source S, soit le relais ne l'a pas encore correctement décodé. Si le relais a déjà correctement décodé ce message us,t, ce dernier fait donc partie des 25 messages décodés sans erreur disponibles en sortie du décodeur du DDU. Le module de décision DU écarte alors de sa sélection ce message us,t. Le message us,t n'est pas transmis au codeur de l'ETU. Si le relais n'a pas déjà correctement décodé ce message us,t, ce dernier ne fait donc pas partie des messages décodés sans erreur disponibles en sortie du décodeur du DDU. Il ne peut par 30 conséquent être sélectionné par le module DU. En outre selon un mode de réalisation, le relais ne tente plus d'estimer ce message us,t. 3053193 17 Ainsi, au sous-intervalle courant, b, 1 b B de l'intervalle courant, t, 1 1, un 15 bloc tel tel que les B blocs successifs {cs(): 1 b B} forment le mot de code cs,t, tel que le premier bloc peut être décodé de manière indépendante des autres blocs et tel que les blocs suivants sont des bits de parité qui ajoutent une redondance au premier bloc, avec K et B des naturels, B > 2, 1 REVENDICATIONS1. Procédé (1) de relayage de messages mis en oeuvre par un système de télécommunication comprenant M sources (S1, ... , Sm), L relais (R1, ..., RL) relais full-duplex et une destination (D), M>1, L>1, le procédé comprenant par relais et pour un cycle courant de transmission de T intervalles de transmission, T un naturel, T > 1 : décodage pour estimer un message par source à partir de blocs successifs reçus émis pendant un intervalle t courant de transmission par une source S E tS1,S2,...,Sml ( ( (b) correspondant à un mot de code cs,t comprenant B blocs cs,t) , cs,t) , ... cs,t ..., ce,t) dont le premier peut être décodé de manière indépendante des autres blocs, un mot de code cs,t codant un message us,t de K bits, les sources émettant simultanément, avec K et B des naturels, B > 2, 1 2. Procédé (1) de relayage selon la revendication 1, dans lequel la voie de retour consiste en des signaux de contrôle nominatifs (ACKs) par source. 3. Procédé (1) de relayage selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant par source S : codage en un mot de code cs,t d'un message us,t de K bits comprenant un CRC, le codage (b) à 30 étant de type à redondance incrémentale finie et délivrant un bloc cs,t a chaque sous- intervalle b de transmission de l'intervalle t courant de transmission, 1 b B, tel que a) (2) (b) (B) les B blocs successifs cs,t , cs,t , ... cs,t ..., cst forment le mot de code cs,t, tel que le 3053193 23 premier bloc peut être décodé de manière indépendante des autres blocs et tel que les blocs suivants sont des bits de parité qui ajoutent une redondance au premier bloc, émission après modulation des blocs cs(132 pendant les B sous-intervalles de transmission à destination du relais et de la destination. 5 4. Procédé (1) de relayage selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel après chaque émission (b) d'un bloc (cs,t ), une source S ne transmet pas pendant une période de temps nécessaire pour réceptionner et décoder la voie de retour provenant de la destination indiquant un décodage correct ou pas d'un ou de plusieurs messages des sources et dans lequel la source stoppe l'émission des blocs si son message us,t est indiqué correctement décodé. 10 5. Procédé (1) de relayage selon la revendication 4 dans lequel la source passe à l'intervalle de transmission suivant l'intervalle t courant de transmission du cycle courant de transmission ou passe à un cycle suivant le cycle courant de transmission si l'intervalle t courant est égale à T ou si tous les messages ont été correctement décodés par la destination. 6. Procédé (1) de relayage selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'accès au canal de 15 transmission entre les L relais et la destination est selon un schéma d'accès multiple non orthogonal. 7. Relais (R) full-duplex destiné à un système de télécommunication comprenant M sources (S1, ..., Sm), L relais (R1, ..., RL) et une destination (D), M>1, L>l, pour un cycle courant de transmission de T intervalles de transmission, T un naturel, T > 1, comprenant : 20 un décodeur (DDU) pour estimer un message par source, à partir de blocs successifs reçus émis pendant un intervalle t courant de transmission par une source S E {Si,S2,...,Sm} ( (2 (h) correspondant à un mot de code cs,t comprenant B blocs cs,t 1) , cst) , ... cs,t ..., ct) dont le premier peut être décodé de manière indépendante des autres blocs, un mot de code cs,t codant un message us,t de K bits, les sources émettant simultanément, avec K et B des 25 naturels, B > 2, 1 8. Source d'un signal numérique destiné à un système de télécommunication comprenant M sources (S1, ...,Sm), L relais (R1, RL) et une destination (D), M>1, L>l, comprenant : 10 - un codeur (COD) de messages us,t de K bits comprenant un CRC en des mots de code cs,t, de type à redondance incrémentale finie pour délivrer à chaque sous intervalle de transmission b = 1,2, ...,B d'un intervalle courant t de transmission d'un cycle courant de transmission de T intervalles de transmission, T un naturel, T > 1, un bloc croc tel que les B blocs successifs {c(st:2: 1 b B} forment le mot de code cs,t, tel que le premier bloc peut 15 être décodé de manière indépendante des autres blocs et tel que les blocs suivants sont des bits de parité qui ajoutent une redondance au premier bloc, avec K et B des naturels, B > 2, 1