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"Optimisation de la transmission de la phonie et vidéophonie sur les réseaux à larges bandes PMR". - le 25/02/2013

THESE DE DOCTORAT Alina Alexandra FLOREA Département RS2M - Télécom SudParis - Université Pierre et Marie Curie - EDITE (Ecole Doctorale Informatique, Télécommunications, Electronique)

"Optimisation de la transmission de la phonie et vidéophonie sur les réseaux à larges bandes PMR".

Cette thèse a été réalisée sous la direction de Pr. Djamal ZEGHLACHE et encadrée académiquement par Dr. Hang NGUYEN . Bénéficiant d’un contrat CIFRE chez CASSIDIAN, la thèse a été encadrée industriellement par M. Laurent MARTINOD et M. Philippe MEGE.

Date de la soutenance :
le lundi 25 Février 2013, à 14h00
Salle Debussy à Cassidian, 1, Bd Jean Moulin, ZAC de la Clef St-Pierre, 78996 Elancourt Cedex.

Le jury est composé de :

- Rapporteurs :

Pr. Fumiyuki ADACHI , Professeur Emérite à l’Université de Tohoku,
Pr. Xavier LAGRANGE, Professeur à TELECOM Bretagne .

- Examinateurs :

Pr. Djamal Zeghlache, Professeur à Telecom SudParis,
Dr. Hang Nguyen, Directeur d’Etudes à Telecom SudParis,
M. Laurent MARTINOD, Ingénieur à Cassidian,
M. Philippe MEGE, Expert Senior à Cassidian,
Pr. Pierre SENS, Professeur à l’Université de Paris 6 "Pierre et Marie Curie" .

Résumé de thèse :

Cet exposé analyse les perspectives large bande des réseaux PMR, à travers l’évaluation du candidat LTE, et la proposition d’une possible évolution du codage canal, la solution brevetée des codes turbo à protection non uniforme.

Une première étude dans le chapitre 2 se concentre sur l’analyse multi-couche et l’identification des problèmes clé des communications de voix et de vidéo sur un réseau LTE professionel. Les capacités voix et vidéo sont estimées pour les liens montant et descendant de la transmission LTE, et l’efficacité spectrale de la voix en lien descendant est comparée à celle de PMR et GSM. 

Ce chapitre souligne certains points clé de l’évolution de LTE. S’ils etaient pas résolus par la suite, LTE se verrait perdre de sa crédibilité en tant que candidat à l’évolution de la PMR. Une telle caractéristique clé des réseaux PMR est le codage canal à protection non uniforme, qui pourrait être adapté au système LTE pour une évolution aux contraintes de la sécurité publique.

Le chapitre 3 introduit cette proposition d’évolution, qui a été brevetée : les turbo codes à protection non uniforme integrée. Nous proposons une nouvelle approche pour le codage canal à protection non uniforme à travers les codes turbo progressives hierarchiques. Les configurations parallèles et séries sont analysées. Les mécanismes de protection non uniformes sont integrés dans la structure de l’encodeur même à travers l’insertion progressif et hierarchique de nouvelles données de l’utilisateur.
Le turbo décodage est modifié pour exploiter de façon optimale l’insertion progressive de données dans le processus d’encodage et estimer hierarchiquement ces données. Les propriétés des structures parallèles et séries sont analysées à l’aide d’une analogie aux codes pilotes, ainsi qu’en regardant de plus près leurs caractéristiques de poids de codage. Le taux de transmission virtuel et les représentations des graphs factor fournissent une meilleure compréhension de ces propriétés. Les gains de codage sont évalués à l’aide de simulations numériques, en supposant des canaux de transmission radio statiques et dynamiques, et en utilisant des codes de référence.

Enfin, dans le chapitre 4, l’idée breveté du code turbo parallal progressif et hierarchique (PPHTC) est évaluée sur la plateforme LTE. Une description détaillée de l’architecture des bearers de LTE est donnée, et ses conséquences sont discutées. Le nouveau codage canal est inséré et évalué sur cette plateforme, et ses performances sont comparées avec des schémas de transmission typique à LTE. L’analyse de la qualité de la voix aide à conclure sur l’efficacité de la solution proposée dans un système de transmission réel.

Pourtant, même si cette dernière donne les meilleurs résultats, d’avantage d’optimisations devraient être envisagées pour obtenir des gains améliorés et mieux exploiter le potentiel du codage proposé. L’exposé se conclut dans le chapitre 5 et une courte discussion présente les futures perspectives de recherche.

Abstract :

This dissertation analyzes the PMR broadband perspectives, through the evaluation of the preferred candidate, LTE, and the proposal of a possible channel coding evolution, the patented solution of unequal error protection embedded turbo codes. A first study in chapter 2 focuses on the multi-layer analysis and the identification of key issues for professional-like LTE for voice and video communications. The voice and video capacities are estimated for both downlink and uplink LTE transmissions, and the downlink LTE voice system efficiency is compared with that of the PMR and Global System for Mobile Communications (GSM). This chapter helps highlighting some of the key points. If not resolved, the latter could lead to the LTE downfall as a candidate for the PMR evolution. One such key characteristic of PMR systems is the unequal error protection

channel coding technique, which might be adapted to the LTE technology for its evolution to public safety requirements. Chapter 3 further introduces the proposed evolution patented ideas : the unequal error protection embedded turbo codes. We propose a new approach for the unequal error protection channel coding through

the progressive hierarchical turbo codes. Both parallel and serial turbo configurations are closely studied. The unequal error protection mechanisms are embedded in the encoder’s structure itself through the progressive and hierarchical insertion of new data. The turbo decoding is modified as to optimally exploit the progressive

insertion of information in the encoding process and hierarchically estimate the corresponding data. Both parallel and serial configurations’ properties are analyzed using an analogy with a pilot code behavior, as well as a zoom on the weight error functions coefficients. The virtual code rate and factor graph interpretations also

provide a better insight on the code properties. The code possible gains are highlighted through computer simulations in both static and dynamic transmission environements, by using carefully chosen benchmarks. Finally, in chapter 4, the patented idea of parallel progressive hierarchical turbo codes (PPHTC) is evaluated over the

LTE platform. A detailed description is given of the voice transmission bearer architecture over LTE, and its consequences are discussed. The new channel code is inserted and evaluated over this platform and its performances compared with the existent LTE transmission schemes. The voice quality results help concluding on the

efficiency of the proposed solution in a real transmission scenario. However, even though the newly presented solution gives the best results, further system optimizations should be envisaged for obtaining better gains and exploit the parallel progressive hierarchical turbo codes potential. The dissertation concludes in chapter 5 and

a short discussion is given on future research perspectives.