Étude et optimisation des systèmes multi-antennes associés à des modulations multi-porteuses

Study and optimization of multi-antenna systems associated with multi-carrier modulations

• Auteur / Autrice : Vincent Le Nir
• Direction : Jacques Citerne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Rennes, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Signal, Théorie du (télécommunications)

Données -- Transmission

Codage

Systèmes de communication à laser

Résumé

Depuis quelques années, les techniques multi-antennes sont envisagées comme solution potentielle pour augmenter le débit des futurs systèmes de communications sans fils. L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'améliorer les techniques d'émission et de réception de ces systèmes MIMO (Multiple Input Multiple Output) dans un contexte multi-porteuses. En effet, l'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), qui permet de transformer un canal sélectif en fréquence en de multiples canaux non sélectifs, est particulièrement bien adapté à la conception de récepteurs MIMO peu complexes. D'autre part, deux techniques permettant d'améliorer l'exploitation de la diversité fréquentielle et/ou temporelle sont associées à l'OFDM, à savoir le précodage linéaire (LP-OFDM) et le CDMA dans un schéma de type MC-CDMA (Multicarrier-Code division Multiplex Access). Nous avons associé le LP-OFDM et le MC-CDMA à deux techniques MIMO ne nécessitant pas de connaissance du canal à l'émission, le codage espace-temps en blocs STBC (Space-Time Block Coding) et le multiplexage spatial. On montre que pour les deux systèmes MIMO MC-CDMA et MIMO LP-OFDM, les diversités spatiales, temporelles et fréquentielles sont efficacement exploitées. L'avantage de l'association avec les STBC orthogonaux est que des récepteurs particulièrement simples peuvent être mis en oeuvre. En effet, pour un système STBC LP-OFDM, un simple égaliseur linéaire MMSE fournit des performances proches de celles obtenues avec un récepteur à maximum de vraisemblance permettant l'utilisation de grandes matrices de précodage. En STBC MC-CDMA, des récepteurs mono-utilisateur conduisent, comme en SISO MC-CDMA, au meilleur compromis performances/complexité. Lorsque le LP-OFDM ou le MC-CDMA sont associés à du multiplexage spatial, le surplus de complexité des récepteurs est inhérent à la gestion de l'interférence multi-antennes. Nous avons démontré que la mise en oeuvre d'un simple récepteur de type MMSE nécessitant l'inversion de la matrice de canal MIMO conduit à de très bonnes performances. Un processus similaire peut également être appliqué pour des STBC non orthogonaux. Associés à un système itératif lors de l'insertion d'un codage de canal à l'émission, tous ces systèmes peuvent atteindre les performances de la borne du filtre adapté proche des performances de la courbe gaussienne en utilisant de simples opérations. Le gain en efficacité spectrale et en performances est à l'avantage des techniques à multiplexage spatial car elles profitent de l'augmentation linéaire de la capacité avec le minimum du nombre d'antennes d'émission et de réception. Le compromis débit/complexité indiquera le choix du système MIMO à associer au LP-OFDM ou au MC-CDMA. Les performances sont étudiées avec ou sans corrélation et sur des canaux théoriques et réalistes.

Since several years, multi-antenna systems are foreseen as a potential solution for increasing the throughput of future wireless communication systems. The aim of this thesis is to study and to improve the transmitter and receiver's techniques of these MIMO (Multiple Input Multiple Output) systems in the context of a multi-carrier transmission. On the one hand, the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) modulation, which transform a frequency selective channel into multiple non frequency selective channels, is particularly well adapted to the conception of MIMO receivers with low complexity. On the other hand, two techniques allowing to improve the exploitation of frequential and/or temporal diversities are associated with OFDM, namely linear precoding (LP-OFDM) and CDMA in a MC-CDMA (Multicarrier Code division Multiplex Access) scheme. We have associated LP-OFDM and MC-CDMA with two MIMO techniques which require no channel state information at the transmitter, that is STBC (Space-Time Block Coding) and spatial multiplexing. It is shown that for these two systems MIMO MC-CDMA and MIMO LP-OFDM, spatial, temporal and frequential diversities are efficiently exploited. The advantage of the association with orthogonal STBC is that low complexity receivers can be implemented. In fact, for a STBC LP-OFDM system, a simple linear MMSE equalizer leads to performance close to those obtained with a Maximum Likelihood (ML) receiver allowing the use of large linear precoding matrices. For STBC MC-CDMA, like SISO MC-CDMA, single-user detectors leads to the best tradeoff performance/complexity. When LP-OFDM or MC-CDMA are associated with spatial multiplexing, the surplus of complexity for the receivers is inherent to the multi-antenna interference. We have also demonstrated that the implementation of a simple MMSE receiver requiring the inversion of the MIMO channel matrix leads to very good performance. A similar process can be applied for non orthogonal STBC. Combined with an iterative process when channel coding is inserted at the transmitter, all these systems can reach the matched filter bound performance close to the gaussian curve performance using simple operations. The gain in spectral efficiency and performance is to the advantage of spatial multiplexing techniques because they benefit from the linear augmentation of the capacity with the minimum number of transmit and receive antennas. The trade-off between throughput and complexity will indicate the choice of the MIMO system to associate with LP-OFDM and MC-CDMA. Theoretical channels as well as realistic channels are simulated with or without correlation between antennas.