Allocation de fréquence dans les systèmes de communication par satellites de type SDMA

171 Pages·2017·3.27 MB·French

by  Kata Kiatmanaroj

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(cid:36)(cid:207)(cid:76)(cid:73)(cid:86)(cid:82)(cid:207)(cid:0)(cid:80)(cid:65)(cid:82)(cid:0)(cid:26)
UniversitéToulouseIIIPaulSabatier(UT3PaulSabatier)
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(cid:36)(cid:73)(cid:83)(cid:67)(cid:73)(cid:80)(cid:76)(cid:73)(cid:78)(cid:69)(cid:0)(cid:79)(cid:85)(cid:0)(cid:83)(cid:80)(cid:207)(cid:67)(cid:73)(cid:65)(cid:76)(cid:73)(cid:84)(cid:207)(cid:0)(cid:26)
InformatiqueetGénieIndustriel
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KataKiatmanaroj
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(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:26) m ercredi27juin2012 (cid:0)
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(cid:52)(cid:73)(cid:84)(cid:82)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
(cid:0)
Allocationdefréquencedanslessystèmesdecommunicationparsatellitesde
typeS(cid:0)DMA
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(cid:0)
(cid:37)(cid:67)(cid:79)(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:68)(cid:79)(cid:0)(cid:67)(cid:84)(cid:79)(cid:82)(cid:65)(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
Système(cid:0)s(EDSYS)
(cid:53)(cid:78)(cid:73)(cid:84)(cid:207)(cid:0)(cid:68)(cid:69)(cid:0)(cid:82)(cid:69)(cid:0) (cid:67)(cid:72)(cid:69)(cid:82)(cid:67)(cid:72)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
LAAS-CNRS
(cid:36)(cid:73)(cid:82)(cid:69)(cid:67)(cid:84)(cid:69)(cid:85)(cid:82)(cid:8)(cid:83)(cid:9)(cid:0)(cid:68)(cid:69)(cid:0)(cid:52)(cid:72)(cid:210)(cid:83)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
M.ChristianARTIGUES
M.LaurentHOUSSIN
(cid:50)(cid:65)(cid:80)(cid:80)(cid:79)(cid:82)(cid:84)(cid:69)(cid:85)(cid:82)(cid:83)(cid:0)(cid:26)
M.AlexandreCAMINADA
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M.RobertoMONTEMANNI
(cid:0)
M(cid:69)(cid:77)(cid:66)(cid:82)(cid:69)(cid:8)(cid:83)(cid:9)(cid:0)(cid:68)(cid:85)(cid:0)(cid:74)(cid:85)(cid:82)(cid:89)(cid:0):
M.Jin-KaoHAO
M.ThierryGayraud
i
Acknowledgements
Thisthesiswouldnothavebeenpossiblewithouttheguidanceandthe
helpofseveralindividualswhoinonewayoranothercontributedand
extended their valuable assistance in the preparation and completion
ofmywork.
First and foremost I offer my sincerest gratitude to my supervisors,
Christian Artigues and Laurent Houssin. They have supported me
throughout my study with their patience and knowledge. They allow
me to work in my own way and guided my through all difficulties,
professionallyandpersonally,Iexperienced.
I sincerely thank Prof. Alexandre Caminada and Prof. Roberto Mon-
temanni for their examination of this thesis. I am honored by their
close insight, their constructive and detailed feedback and their inter-
est in my work. I am also grateful to Prof. Jin-Kao Hao and Prof.
ThierryGayraudforacceptingtobemembersofthejury.
I am grateful to Erwan Corbel from Thales Alenia Space, our indus-
trial partner, who has provided me technical requirements from the
industrywhichisinvaluableforthisresearchwork.
I would like to acknowledge the French government and GISTDA
(Geo-Informatics and Space Technology Development Agency) of
Thailand in the award of a Doctoral Research Studentship that pro-
vided the necessary financial support for this research and my living
expenses.
ManythankstoallmembersofMOGISAresearchgroupwhoalways
makemyeverydayworkatthelaboratoryapleasure.
ThankChirstèleMouclierforalladministrativesupportsincethevery
beginningofmystudy.
Thanks Romaric Guileerm, Panwadee Tangpattanakul, Dariga and
GaëtanToulon,PraneeandPierreRossiandallofmyfriendsfortheir
helpandsupport.
Last but not the least, I would like to thank my wife and my family
fortheirpersonalsupportandgreatpatienceatalltimes.
ii
Abstract
In this thesis, we consider frequency assignment problems arising
from an SDMA satellite communication system which consists of a
satellite and a number of users distributed inside a fixed sized service
area. The objective is to assign a given number of frequency carriers
to as many users as possible. This assignment should not violate the
incurred interference constraints. Two types of interference are con-
sideredi.e. binaryandcumulativeinterference. Foreachofthem,sin-
glecarrierandmultiplecarrierfrequencyassignmentmodelsaretaken
into account. We also propose an Integer Linear Programming (ILP)
formulationtodealwith2-dimensionalfrequency×timeassignments
which is more complicated and harder to solve. Single carrier FAPs
are solved by greedy algorithms and ILP. A Beam Moving algorithm
isdevisedtofurtherimprovethesolutionsbysolvinganon-linearop-
timizationproblem. MultiplecarrierFAPsaremodelledasscheduling
problemandILPs. Weshowthattheschedulingmodelsolvedthrough
constraintprogrammingmethodsofferssuperiorperformancethanthe
proposed ILP. It is worth noting that, by transforming the cumulative
interferenceintobinaryinterference,schedulingmethodtogetherwith
clique-inducedconstraintsyieldsmuchbetterresults.
A frequency assignment problem that incorporates the specifications
and constraints provided by the industry is also considered. These
requirements render the resource allocation problem highly complex.
Thiscomplexityandthefactthatfrequencyassignmentplansmustbe
recomputed frequently in order to cope for user mobility yield clas-
sic optimization tool such as ILP impractical. According to this, two
greedyalgorithmsaredevisedandtested.
iii
Résumé
Le travail présenté dans cette thèse traite des problèmes d’affectation
de fréquences (FAP) qui se produisent dans les systèmes de commu-
nication par satellite utilisant la technologie SDMA. Ces systèmes
se composent d’un satellite et d’une zone de service de taille fixe
dans laquelle sont répartis des utilisateurs. L’objectif est alors de
servir un maximum d’utilisateur en fréquence dans cette zone de
service. Cependant, l’affectation ne doit pas violer les contraintes
d’interférence qui apparaissent lorsque deux utilisateurs utilisent une
même fréquence ou lorsqu’ils se partagent une même plage de
fréquence. Deux types d’interférences sont considérés dans cette
étude : les interférences binaire et cumulative. Pour chacune d’elles,
les problèmes d’affectation de fréquence de type mono-porteuse (une
fréquenceparutilisateur)etmulti-porteuses(plusieursfréquencespar
utilisateur) sont traités. Le problème de l’affectation bidimension-
nelle est aussi abordé et nous proposons des modèles de Programma-
tionLinéaireenNombreEntiers(PLNE)pourlerésoudre. Auniveau
des méthodes de résolution, nous utilisons des algorithmes gloutons,
des modèles de PLNE pour le problème de type mono-porteuse. En
outre, un algorithme de déplacement continu de faisceau est conçu
pour améliorer les solutions en résolvant un problème d’optimisation
continunonlinéaire. Concernantleproblèmedetypemulti-porteuses,
nous le ramenons à un problème d’ordonnancement et celui-ci est ré-
soluàl’aidedelaPLNEetlaProgrammationParContraintes(PPC).Il
estparailleursmontréquelesrésultatsissusdelaPPCsontmeilleurs
que ceux de la PLNE. De plus, en transformant les interférences cu-
mulatives en interférences binaires, la méthode d’ordonnancement
avec les contraintes induites par les cliques donne de bien meilleurs
résultats.
Nous considérons également un problème industriel dans lequel de
nombreuses contraintes apparaissent ce qui rend le problème très
complexe et insoluble avec des méthodes exactes. Face à ce constat,
deux algorithmes gloutons sont réalisés et leurs résultats sont com-
parés.

Contents
Introduction ix
Thesis body xiii
1 Thefrequencyassignmentproblem: literaturereview 1
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3 Classificationandformulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.1 MaximumServiceFAP . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.2 MinimumOrderFAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.3 MinimumSpanFAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.4 MinimumInterferenceFAP . . . . . . . . . . . . . . 7
3.5 Othervariations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Solvingmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1 Exactmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2 Heuristicsandmetaheuristics . . . . . . . . . . . . . 10
4.2.1 Greedyalgorithm . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2.2 Localsearch . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2.3 Tabusearch . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.2.4 Simulatedannealing . . . . . . . . . . . . . 14
4.2.5 Geneticalgorithm . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.6 Antcolonyoptimization . . . . . . . . . . . 18
4.2.7 Artificialneuralnetwork . . . . . . . . . . . 19
4.2.8 Hyper-heuristic . . . . . . . . . . . . . . . 20
5 Frequencyassignmentinsatellitecommunicationsystem . . . 20
2 Problemdescription 23
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
vi
2 Satellitecommunicationsystem . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Antennagainandsatellitebeam . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Linkbudget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5 Superframestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6 Interferenceconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
7 Technicalconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
8 Problemsummaryandtreatments . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 Singlecarriermodels 37
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2 Singlecarriermodelwithbinaryinterference . . . . . . . . . 38
3 Singlecarriermodelswithcumulativeinterference . . . . . . 40
3.1 Fixed-beamvarying-frequencymodel . . . . . . . . . 41
3.2 SDMA-beamvarying-frequencymodel . . . . . . . . 42
3.3 Integerlinearprogramming . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 Fixed-beamvarying-frequencymodel . . . . 44
3.3.2 SDMA-beamvarying-frequencymodel . . . 44
3.4 Greedyalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.1 Fixed-beamvarying-frequencymodel . . . . 45
3.4.2 SDMA-beamvarying-frequencymodel . . . 46
4 Beammovingalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1 Beam moving procedure given a fixed frequency as-
signment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Closed-loopimplementation . . . . . . . . . . . . . . 51
5 Computationalexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Multiplecarriermodels 61
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2 Multiplecarriermodelswithbinaryinterference . . . . . . . . 62
2.1 Binaryinterference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.2 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.2.1 Disjunctivegraphandclique . . . . . . . . 63
2.2.2 Disjunctiveschedulingmodels . . . . . . . 65
2.3 Intervalgraphcoloring . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4 Integerlinearprogramming . . . . . . . . . . . . . . 67
3 Multiplecarriermodelswithcumulativeinterference . . . . . 67
3.1 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2 Integerlinearprogramming . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.1 Directfrequencymodel . . . . . . . . . . . 69
3.2.2 Frequency-indexedmodel(INDEXED1) . . 70
3.2.3 Frequency-indexedmodel(INDEXED2) . . 71
3.2.4 Frequency-indexedmodel(INDEXED3) . . 72
vii
3.2.5 On-offz model . . . . . . . . . . . . . . . 72
if
3.2.6 Columngenerationmodel . . . . . . . . . . 72
4 Multiplecarriermodelswith2D(frequencyandtime)assign-
ment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1 Mathematicalmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2 Directfrequency-timeindexedmodelfor2D . . . . . 76
5 Computationalexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.1 Binaryinterference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2 Cumulativeinterference . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5 Industrialapplication 89
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2 Additionalrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.1 Resourceoptimizationconstraints . . . . . . . . . . . 90
2.2 Userpriority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.3 Terminaltype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.4 Traffictype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.5 Symbol rate, modulation and coding scheme
(RsModCod) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.6 Beampositioningmethod . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.7 Uplinkpowercontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3 Greedyalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1 Slotcombinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2 Minimuminterference . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.3 Minimumbandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4 Algorithmimplementationdetails . . . . . . . . . . . 97
3.5 C/(N+I)Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.6 Powercontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4 Computationalexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.1 Assignmenttime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 Numberofrejectedusers . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Totalslack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4 Frequencyutilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Conclusion 109
Appendix 115
A RsModCodtables 117
viii
B C++codeforschedulingusingCPOptimizer 123
1 Multiplecarrierwithbinaryinterference . . . . . . . . . . . . 123
2 Multiplecarrierwithcumulativeinterference . . . . . . . . . 126
C Flowchartsforindustrialapplicationgreedyalgorithms 129
Bibliography 137
Part I
Introduction