Implémentation Efficace et Optimisation de récepteurs avancés basés sur le passage de messages pour les futurs réseaux sans fil. – EVASION

Le projet est parti de l'état de l'art sur Expectation Propagation (EP), Belief Propagation, Approximate Message Passing (AMP) et d'autres techniques de message passing. La première tâche a consisté à identifier les cas d'utilisation les plus matures et les plus prometteurs pour l'utilisation de EP, à savoir l'égalisation et la détection MIMO/NOMA. L'un des principaux objectifs des groupes de travail 1 et 2 était alors de concevoir des variantes robustes et peu coûteuses des récepteurs EP.
En ce qui concerne l'égalisation, la première étape a consisté à analyser la complexité de l'égaliseur linéaire dans le domaine fréquentiel basé sur EP. Cette évaluation a révélé que les mapper et demapper souples avec EP étaient les principaux contributeurs à la complexité globale du récepteur, alors que la complexité de l'égaliseur n'était pas critique. À partir de cette observation, de nombreuses simplifications ont été étudiées et comparées, et certaines d'entre elles peuvent être liées à une analyse théorique solide et ne sont pas simplement liées à des heuristiques. Les premiers démappeurs souples simplifiés ont été conçus sans prendre en compte une éventuelle information a priori de la part du décodeur, ensuite une version plus générale en la prenant en compte a été proposée.
En ce qui concerne la détection MIMO/NOMA, les recherches menées ont permis de déterminer que, en particulier pour les schémas MIMO massifs, la complexité du détecteur était le principal facteur contribuant à la complexité du récepteur. C'est pourquoi les efforts ont été concentrés sur l'étude d'un algorithme de détection EP simplifié. Néanmoins, le travail effectué pour simplifier le calcul du signal de retour EP pour l'égaliseur pourrait être largement réutilisé pour le cas MIMO également. Pour réduire la complexité du récepteur, de nombreux travaux dans la littérature proposent d'approximer l'opération la plus coûteuse, c'est-à-dire l'inversion de matrice pour le «EP vectoriel«. Notre approche est différente, nous avons travaillé directement sur le graphe des facteurs, ce qui a permis d'obtenir des algorithmes «EP scalaires« plus simples et efficaces.

A partir des solutions fournies par le WP1/WP2, un algorithme candidat pour l'implémentation a été sélectionné par le consortium: l'égaliseur du domaine fréquentiel basé sur l'EP. Ce récepteur a été implémenté dans py-AFF3CT, un wrapper Python pour la plateforme open-source AFF3CT. L'algorithme a ensuite été vérifié à l'aide du simulateur MATLAB. A partir du code validé de py-AFF3CT, une implémentation en virgule fixe a été générée (voir D3.3) et l'impact sur les performances a été évalué (voir D3.1). Parallèlement, l'étude de l'architecture matérielle (FPGA) a été réalisée. Les descriptions VHDL de l'architecture en virgule fixe proposée pour le FPGA ont été produites et intégrées un démonstrateur matériel sur la boucle. Cette méthodologie a permis de résoudre efficacement le problème de la complexité de l'égaliseur basé sur EP.

EVASION a permis d'améliorer considérablement la maturité technologique des traitements basés sur la propagation d'espérance (Expectation Propagation - EP).
Pour la fonctionnalité d'égalisation dans le domaine fréquentiel (qui est largement utilisée dans les récepteurs pour les systèmes de communication à mono-porteuse ou SC-FDMA), le projet EVASION a réussi à proposer des simplifications algorithmiques qui ont considérablement réduit la complexité du démappeur souple EP, un bloc fonctionnel dont l'implémentation n'avait pas encore été étudié en détail et qui constituait le point dur du récepteur. En outre, une version du mappeur souple EP en virgule fixe a été développée sur la plateforme PyAff3ct, qui a ensuite été utilisée pour une implémentation FPGA, intégrée dans un démonstrateur «hardware-in-the-loop«. Une architecture flexible et parallélisée a également été obtenue. La consommation de ressources du démappeur souple sur le FPGA d'une carte Xilinx PYNQ Z2 ne représente que quelques points de pourcentage des ressources totales disponibles, ce qui montre l'efficacité et la pertinence de la mise en œuvre.
Sur ce sujet, 1 article de revue internationale et 2 articles de conférence internationales ont été publiés. 4 brevets ont été déposés en France et sont en train d'être étendus en Europe.

Des avancées sur les schémas de détection MIMO/NOMA basés sur EP ont également été réalisées. En particulier, un détecteur MIMO scalaire EP flexible avec prétraitement QR et ordonnancement optimisé des messages a été proposé et ses performances ont été évaluées. Ce détecteur peut être appliqué à aux systèmes MIMO classiques avec un faible nombre d'antennes, jusqu'aux systèmes MIMO massifs avec des dizaines d'antennes, toujours avec une perte de performance faible ou négligeable par rapport au détecteur EP vectoriel de référence. Alors que le détecteur EP vectoriel est trop complexe pour les applications MIMO massives, le récepteur proposé présente une réduction de la complexité calculatoire allant jusqu'à 50 % (avec une auto-itération, davantage avec plusieurs auto-itérations). En outre, le démappeur souple EP à faible complexité mis en œuvre dans le FPGA pour le cas d'utilisation de l'égalisation peut également être réutilisé ici pour faciliter la mise en œuvre.
Ces travaux ont donné lieu à la publication de 1 article de revue internationale, 3 articles de conférence internationales et 2 articles de conférence nationales.
Le projet EVASION a également produit de nombreux autres résultats originaux, notamment dans le domaine des récepteurs MIMO et NOMA basés sur l'EP ou AMP et assistés par l'intelligence artificielle, montrant des gains de performance encourageants et ouvrant des voies de recherche passionnantes.
Ces travaux ont donné lieu à la publication de 3 articles de conférence internationales et un article de revue est en préparation.

La communauté de recherche autour des algorithmes de message passing est très active.
Une veille attentive des nouvelles propositions publiées constitue une activité de fond qui alimente toute activité future de recherche.
Parmi les perspectives dans le domaine de l'égalisation, nous pouvons nommer l'étude des schémas d'égalisation temporelle pour des canaux doublement sélectifs, comme ceux rencontrés dans les communications HF, ou les communications acoustiques sous-marines. Pour ce type d'application, il serait par exemple très intéressant d'appliquer Expectation Propagation (ou autres algorithmes de message passing) aux lisseurs de Kalman, comme proposé par certains auteurs. Aussi, l'application de ces techniques à des systèmes de communication Faster Than Nyquist peut apporter des gains de performance lorsque le facteur de compression devient petit.
Dans le contexte MIMO et NOMA, une perspective intéressante consiste à évaluer les performances du modulateur souple EP conçu pour l'égalisation lorsqu'il est appliqué aux schémas MIMO/NOMA déjà proposés et/ou à d'autres solutions présentes et futures de la littérature. Il sera également possible de concevoir des mappeurs souples EP à faible complexité spécialement conçus pour ces applications. EVASION a permis aussi de commencer l'étude de robustesse à l'estimation imparfaite de canal, et il y a des pistes intéressantes à développer, par exemple en intégrant l'algorithme d'estimation dans le factor graph, ou en utilisant des méthodes de machine learning pour améliorer la qualité d'estimation de canal.
Un autre sujet intéressant est l'application de EP dans des contextes dominés par l'interférence, en particulier les algorithmes de rejection d'interférence peuvent aussi être conçus à travers les factor graphs.
EVASION a aussi travaillé beaucoup sur le dépliement profond des algorithmes EP, une technique de machine learning adaptée au récepteurs itératifs. Il serait intéressant d'appliquer et étendre les travaux faits à d'autres schémas de transmission de type NOMA, comme les SPARC codes ou l'Interleave Division Multiple Access (IDMA).

4 dépôt de brevets
2 articles de journal international
8 articles de conférence internationale
2 articles de conférence nationale
2 workshops sur la plateforme OpenSOurce Aff3CT
1 workshop GdR IASIS organisé par le projet
1 tutoriel donné par le projet dans une conférence internationale (EUSIPCO 2024)

Ces dernières années, des nouvelles méthodes d’inférence bayésienne approximée et de passage de messages, notamment celles basées sur la propagation de l’espérance (EP), ont attiré l’attention du monde académique et industriel. Ces solutions émergeantes présentent un compromis performance-complexité très avantageux par rapport aux méthodes conventionnelles basées, par exemple, sur la propagation de croyance (BP). Ces nouveaux algorithmes produisent des estimés du signal utile non corrélées avec les observations, ce qui réduit considérablement la propagation d’erreur dans les processus de suppression successive d’interférence inhérent à ces récepteurs itératifs. Cette propriété en fait des candidats prometteurs dans toutes les situations pour lesquels la suppression d’interférence est utile ou nécessaire.
EVASION souhaite étendre ces algorithmes de passage de messages (MPA) basés sur EP à de nombreux cas d’usage des réseaux sans fils cellulaires 4G/5G ou ad hoc et aussi à des systèmes de communications haute-fréquence (HF). Ces cas d’usage incluent par exemple l’égalisation dans les systèmes multiporteuses (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) ou mono-porteuse (SC), et la détection de constellations multidimensionnelles pour les transmissions à plusieurs antennes (MIMO) dans les cas mono- et multi-utilisateurs ou encore pour l’accès multiple non-orthogonale (NOMA) dans les systèmes OFDM ou SC (ce dernier cas étant moins traité dans la littérature accessible publiquement). Des comparaisons avec des techniques concurrentes basées sur le passage de message approximé seront réalisées. De plus, dans certains schémas NOMA, les constellations peuvent être décodées avec des approches MPA dans un cadre non-binaire. Dans ce contexte, nous étudierons la conception de schémas de codage efficaces, qui approchent les meilleurs débits atteignables avec une détection et un décodage conjoints, à comparer avec des récepteurs basés sur EP exploitant une suppression successive d’interférence en série, qui ont déjà montré un bon potentiel en termes de performance. Le projet souhaite aussi améliorer la maturité technologique des récepteurs basés sur EP utilisés dans les cas d’usage cités précédemment en investiguant : (a) le rôle d’une information de canal imparfaite/quantifiée, (b) l’impact de la quantification des variables et de la limitation de leur dynamique, (c) les interactions avec le codage. Le consortium sélectionnera et publiera une partie des algorithmes étudiés dans AFF3CT, une plateforme software open-source. Nous croyons que ces algorithmes MPA ont une structure commune qui peut être exploitée pour trouver des architectures d’implémentation génériques, adaptables avec peu de changements aux applications mentionnées plus haut. EVASION étudiera deux types d’architecture : (i) celle itérative traditionnelle, basées sur le graphe de facteurs avec cycles, et (ii) celle parallèle obtenue avec le dépliement profond. Pour rappel, le dépliement profond est un paradigme émergeant de l’apprentissage profond, que nous utiliserons pour optimiser l’algorithme et son implémentation.
Enfin, le consortium fournira aussi une implémentation FPGA, en suivant le cahier de charge fourni par le partenaire industriel. La méthode « hardware in the loop », qui associe simulations et prototypage, sera utilisée pour le développement d’algorithmes sélectionnés dans la première partie du projet. Cette méthodologie accélère la validation de l’architecture et permet, en même temps, d’évaluer l’impact de cette dernière sur les performances du système.
EVASION est censé produire des innovations significatives dans le domaine des récepteurs avancés basés sur EP et sur leurs simplifications et optimisations en vue d’une implémentation pratique. Donc, à côté des activités de dissémination classiques, le consortium établira au démarrage du projet une politique partagée pour la production de code open source et de protection de la propriété intellectuelle.