Formation de voies hybride analogique-numérique pour la réduction d'interférences dans les réseaux cellulaires de nouvelle génération

par Mohammed Bekkar

Thèse de doctorat en Signal, image, paroles, télécoms

Le président du jury était Jean-Marc Brossier.

Le jury était composé de Matthieu Crussière, Alain Sibille, Jean-Marie Gorce.

Les rapporteurs étaient Geneviève Baudoin, Matthieu Crussière.


  • Résumé

    La formation de voies est une méthode de traitement du signal utilisée dans les réseaux d'antennes, permettant de favoriser certaines directions d'émission ou de réception des signaux par commande des différents éléments.Dans les réseaux de téléphonie mobile, elle peut permettre notamment de réduire l'interférence au niveau d'une station de base.Son implémentation entièrement numérique se heurte à des limitations de consommation énergétique et de coût quand on augmente le nombre d'antennes.En réponse à ces problèmes, l'implémentation hybride analogique-numérique peut être utilisée afin de réduire le nombre de chaînes radio-fréquences (RF) et de convertisseurs analogique-numérique.Dans cette implémentation, l'étage analogique peut être réalisé en utilisant différents types de dispositifs (déphaseurs, amplificateur/atténuateurs, impédances variables) et avec une connectivité variable avec le réseau d'antennes.Toutefois, si on souhaite garder une circuiterie RF simple en utilisant des déphaseurs uniquement (phase-only) afin de régler les poids du formateur de voies analogique, le problème d'optimisation de ces poids devient non-convexe.Les travaux actuels sur les réseaux de petites cellules montrent que l'interférence entre stations de base est un des facteurs limitant la couverture et le débit.De plus, dans une implémentation entièrement numérique, la présence de forts bloqueurs mène à la saturation ou à une désensibilisation des convertisseurs analogique-numérique.L'objet de ces travaux de thèse portent sur l'étude de la formation de voies avec une implémentation hybride phase-only, ainsi que de proposer un algorithme de calcul des matrices de formation de voies, afin de réduire les interférences en réception au niveau d'une petite cellule.Après une description du contexte et de l'état de l'art, on a en préliminaire proposé une caractérisation de l'interférence en utilisant un angle algébrique entre vecteurs des signaux utiles, et vecteurs des signaux interférants, ce qui nous a permis d'obtenir une borne inférieure sur les performances du formateur de voies optimal en RSIB.On a proposé ensuite une solution sous-optimale de formation de voies hybride phase-only, qui dans un modèle à résolution numérique infinie, a de faible pertes par rapport à une solution avec des poids variable en module et phase.Dans un second lieu, on a introduit un modèle de convertisseur analogique numérique dans la chaîne de réception, ce qui nous a permis de mettre en évidence les limitations de la première approche ainsi que de l'implémentation entièrement numérique en présence de forts bloqueurs.On a ensuite proposé un algorithme d'optimisation de l'étage analogique, qui repose sur une méthode de relaxation semi-définie.Cet algorithme montre des performances en RSIB et en somme-capacité proches de celles du benchmark à deux degrés de liberté module et phase.En comparaison, les solutions testées de l'état de l'art qui utilisent des fonction coût non-convexe restent dépendantes de l'initialisation et donnent des performances inférieures.

  • Titre traduit

    Hybrid analog-digital beamforming for interference reduction in new generation cellular networks


  • Résumé

    Beamforming is a signal processing method used in antenna arrays, allowing to enhance directions of emission or reception of signals by controlling the different elements.In mobile networks especially, it allows interference reduction in base stations.Its full digital impementation is limited by energy consumption and cost when increasing the number of antennas.As a response, hybrid analog-digital implementation could be used to reduce the number of radiofrequency (RF) chains as well as the number of analog-to-digital converters.In this implementation, the analog stage could be realised using different types of devices (phase shifters, amlifiers/attenuators, variable impedances) and with a variable connectivity to the antenna array.Nevertheless, if we want to keep a simple RF circuitry by using phase shifters only to tune the analog beamformer, the problem of optimising these weights becomes non-convex.The current works on small cell networks show that the interference between base station is one of the limiting factors of the coverage and the datarate.Furthermore, in a full digital implementation, the presence of strong blockers leads to analog-to-digital converters saturation or desensitization.The purpose of this work is the study of hybrid beamforming with phase-only implementation, as well as to propose an algorithm to compute the beamforming matrices, to reduce the received interference in a small cell.After a description and a state-of-the-art, we preliminarily proposed an interference characterization using an algebraic angle between the signals of interest vectors and the interference vectors, which allowed us to obtain a lower bound on the SINR performance of the optimal beamformer.We have then proposed a sub-optimal solution of hybrid phase-only beamforming, which when using an infinite resolution digitization, has a low loss as compared to a solution using modulus and phase.Secondly, we introduced an analog-to-digital converter model, which allowed us to bring out the limitations of the first appproach as well as of the full digital implementation, in the presence of strong blockers.Afterwards, we proposed an optimisation algorithm of the analog stage, based on a semidefinite relaxation.The peroformance of this algorithm, in terms of SINR and sumrate are close to the benchmark with full degree of freedom, modulus and phase.In comparison, the performance state-of-the-art tested solutions using non-convex cost function are lower and depend on initialization point


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