Application du retournement temporel aux systèmes multi-porteuses : propriétés et performances

par Thierry Dubois

Thèse de doctorat en Electronique et télécommunications

Sous la direction de Maryline Hélard.

Soutenue le 12-02-2013

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne , Institut d'électronique et de télécommunications (Rennes) (laboratoire) et de Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes (laboratoire) .

Le président du jury était Gilles Burel.

Le jury était composé de Patrice Pajusco, Matthieu Crussière, Thuy Phan Huy Dinh.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Cances, Daniel Roviras.


  • Résumé

    Le trafic de données a connu une explosion durant les dernières décennies, en raison d’une augmentation de la demande liée à la vidéo en ligne, mais aussi de la voix sur IP et le peer to peer. L’émergence du cloud computing et du cloud gaming ainsi que la haute résolution des contenus vidéo tend à accroître encore cette demande de débit. Ainsi les normes de communication évoluent afin de fournir les utilisateurs avec le meilleur débit possible. De ce fait, les systèmes nécessitent d’embarquer des techniques d’accès multiples afin de séparer les utilisateurs et l’augmentation du nombre d’antennes devient indispensable. Par conséquent, ces équipements deviennent de plus en plus complexes et énergivores. Dans le but de réduire la complexité des systèmes et ainsi diminuer leur consommation, en permettant de plus de fonctionner avec de faibles puissances d’émission, le Retournement Temporel apparaît comme une solution envisageable. En effet, cette technique permet de focaliser des ondes électromagnétiques dans le temps et l’espace. Ainsi, grâce à ce procédé il devient possible de réaliser des communications multi-antennes à faible complexité et à faibles interférences entre symboles grâce à la propriété de focalisation temporelle, et à faibles interférences intérutilisateurs grâce à la propriété de focalisation spatiale. Cependant, afin de l’adapter aux normes de communication actuelles, il est nécessaire d’étudier la combinaison duRetournement Temporel avec les systèmes multi-porteuses présents dans les principales normes de communication par paquets. Le but de cette thèse est donc d’étudier le Retournement Temporel appliqué aux modulations multi-porteuses, et plus particulièrement à l’OFDM. Dans un premier temps, la manière de réaliser une telle combinaison est étudiée dans un contexte SISO (Single Input Single Output). Ensuite, les avantages au niveau de la synchronisation et de la réduction de l’intervalle de garde d’une telle association sont décrits et analysés. Par la suite, une extension aux systèmes MISO (Multiple Input Single Output) est présentée, ainsi que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux. Les performances de ces systèmes en termes de capacité et de taux d’erreurs binaire sont ensuite évaluées analytiquement et comparées avec celles des systèmes concurrents. Un algorithme de modulation adaptative est ensuite ajouté au système afin d’en améliorer les performances. Ensuite, la manière de combiner le Retournement Temporel avec un système OQAM est présentée. Il est montré que cette combinaison permet de réaliser simplement des systèmes MISO-OQAM, et d’exploiter la diversité spatiale. Il est également montré ici que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux est réalisable. Enfin, la robustesse du système combinant le Retournement Temporel et l’OFDM face aux erreurs d’estimation est évaluée à l’aide de deux algorithmes d’estimation de canal.

  • Titre traduit

    Application of time reversal to multi-carrier systems : properties and performances


  • Résumé

    The data traffic has been exploding in the last decades, owing to the increasing demand in streaming video, just as voice over IP and peer to peer. The appearance of cloud computing and cloud gaming, as well as the high resolution of video contents tend to increase this data rate demand. Hence, the communication norms evolve to provide users with the best possible throughput. Consequently, systems necessitate embedding multiple accesstechniques in order to discriminate users and the increase of the number of antennas becomes mandatory. Hence, these equipments become more and more complex and power consuming. To reduce the systems complexity and then decrease their consumption, also allowing working with low transmitting power, Time Reversal appears as a conceivable solution. Indeed, this technique allows focusing electromagnetic waves in the time and in the space domain. Hence, thanks to this process, low complexity multi-antennas communication becomes feasible, and with low inter symbol interference thanks to the time focusing property, and with lowinter user interference thanks to the space focusing property. However, in order to adapt if to current communication norms, it is necessary to study the combination of Time Reversal with multi-carrier systems used in the main packet communication norms. The aim of this PhD thesis is to study Time Reversal whenapplied to multi-carrier modulations, and particularly with OFDM. At first, the way to combine the two techniques isshowed in a SISO (Single Input Single Output) context. Then, the benefits in the synchronization process and the guard interval reduction of such association are described and analyzed. Afterwards, an extension to MISO (Multiple Input Single Output) systems is presented, as well as the combination with orthogonal space time bloc codes. The performances of these systems in terms of capacity and bit error rate are then analytically calculated and compared with other systems. An adaptive modulation algorithm is then added to the system aiming to improve the performances. Then, the way to combine Time Reversal with an OQAM system is presented. It is shown that this combination allows realizing simple MISO-OQAM systems, and also allows exploiting thespatial diversity. It is also shown that the combination with space time orthogonal block codes is feasible.Finally, the robustness of the system combining Time Reversal and OFDM when experiencing channel estimation errors is evaluated, with two channel estimation logarithms for multicarrier systems.


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