Analyse de la performance des formes d'onde pour les systèmes sans fil multi-porteuse

par Dayse GonÇAlves Correia (Bandeira)

Projet de thèse en Radiocommunications

Sous la direction de Mylène Pischella, João Cesar Moura mota et de Didier Le Ruyet.

Thèses en préparation à Paris, CNAM en cotutelle avec l'Université fédérale du Ceará , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Centre d'études et de recherche en informatique et communications (Paris) (laboratoire) et de LAETITIA - Traitement du signal et architectures électroniques (equipe de recherche) depuis le 18-10-2018 .


  • Résumé

    En raison de la mobilité et de la praticité des systèmes filaires, de plus en plus d'efforts sont déployés pour améliorer l'utilisation des ressources du réseau, qui sont principalement limitées par l'utilisation du spectre électromagnétique en espace libre, sous réserve de diverses interférences dues aux trajets multiples générant des évanouissements rapides et lents. Dans ce contexte, le défi consiste à augmenter le débit de données en essayant de réduire l'utilisation de la bande passante. Cependant, un autre domaine peut être exploité de manière significative pour augmenter la capacité de canal: l'optimisation de la forme d'onde du signal à transmettre. La forme d'onde de l'impulsion peut être optimisée afin de s'adapter aux informations à transporter. Ceci peut favoriser le contrôle de l'ISI (Intersymbol Interference). En pratique, les filtres de mise en forme les plus utilisés pour éviter l'ISI dans le processus d'échantillonnage pour la transmission sont les filtres en cosinus et en racine en cosinus survélevés. Dans des systèmes de communication sans distorsion radio due à la diffusion temporelle et / ou fréquentielle, une autre source d'erreurs sur les bits est le bruit de canal. Néanmoins, le même type de filtrage est maintenu dans le récepteur, ce qui réduit le bruit additif introduit dans le canal et provoque la combinaison des filtres de transmission et de réception de manière à maintenir la structure totale du filtre en cosinus surélevée dans le système. Ainsi, le filtre de mise en forme réduit non seulement l'ISI, mais permet également de réduire le bruit. La modélisation par impulsions joue également un rôle crucial dans l'efficacité spectrale des communications sans fil modernes en réduisant la largeur de bande spectrale, le formatage des impulsions étant une technique de traitement spectral permettant de réduire efficacement la puissance en dehors de la bande fractionnelle du système. Les formes d'onde pour les systèmes multi-porteuses sont essentielles pour le système de communication sans fil de type 5G, qui prend en charge une large gamme de services et de fréquences. Des formes d'ondes comme l'OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) permettent la configuration flexible des paramètres de la couche physique en réponse à plusieurs contraintes, favorisant la coexistence dans la bande de différents services. L'OFDM est une méthode largement utilisée car son orthogonalité entraîne une efficacité spectrale considérable, mais elle possède quelques limitations qui sont l'interférence entre les symboles OFDM (ICI - Inter-carrier interference) et l'écart fréquentiel entre sous-porteuses. En OFDM, toute perte de cohérence entre les fréquences émises et reçues entraîne la perte de la condition d'orthogonalité des sous-porteuses. Cette perturbation provient de l'effet Doppler et des non-linéarités instantanées résultant du processus d'amplification des signaux, ce qui réduit les performances du système. En conséquence, l'OFDM peut être problématique pour les applications multi-utilisateurs, dans lesquelles toute perte d'orthogonalité perturbe la synchronisation entre les utilisateurs, entraînant une perte de performances significative. Les performances empirent dans un scénario de forte mobilité à cause de l'effet Doppler. La technique de modulation OTFS (Orthogonal Time Frequency Space) propose de meilleures performances que l'OFDM dans les scénarios de forte mobilité, car elle permet de contourner la diversité de canaux aux récepteurs en raison de la faible densité obtenue lors de la conversion du domaine délai-Doppler. L'objectif principal de la thèse est d'étudier la modélisation d'un signal pour les transmissions multi-porteuses à partir de la modulation OTFS et d'en analyser les performances en récupérant les données auprès d'un récepteur approprié.

  • Titre traduit

    Performance analysis of waveforms for multi-carrier wireless systems


  • Résumé

    Due to the mobility and practicality of wireline systems, more and more efforts are being made to improve the use of network resources that are limited mainly by the use of the electromagnetic spectrum in free space, subject to various interferences such as multipath, fading fast and slow, among others. In this context, the challenge is the paradox of increasing the data rate by trying to reduce bandwidth usage. However, another domain can be exploited significantly to increase channel capacity: the waveform optimization of the signal to be transmitted. The modeling of the pulse waveform to fit and conform the information to be transported, which favors the control of, for example, ISI (Intersymbol Interference). As examples of filters for convenient formatting of the pulses most used to avoid ISI in the sampling process for the transmission: raised cosine and raised cosine root. From the point of view of reception in non-distorted environment communications systems caused by time and / or frequency scattering, another source of bit errors is channel noise. Nevertheless, the same type of filtering is maintained in the receiver, reducing the additive noise introduced into the channel, causing the transmit and receive filters to be combined in such a way as to maintain the total structure of the cosine filter raised in the system. Thus, the pulse formatting filter not only reduces ISI, but also proposes to reduce noise. Pulse modeling also plays a crucial role in the spectral efficiency of modern wireless communication by reducing spectral bandwidth, since pulse formatting is a spectral processing technique whereby power outside the fractional band is efficiently reduced in the system. Waveforms for Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) systems are considered to be keys to a wireless communication interface model because it supports a wide range of services and frequencies as predicted for 5G mobile systems. Such waveforms allow the flexible configuration of the parameters of the physical layer in response to several requirements, favoring the coexistence in the band of different services. OFDM is a widely used method because its orthogonality results in a considerable spectral efficiency, but there are some points that impair its performance when compared to new physical layer formats, for example the interference between blocks and the subcarrier frequency deviation, causing the interference between carriers (ICI - Inter-carrier Interference). In OFDM, any loss of coherence between the transmitted and received frequencies will distort the orthogonality condition of the subcarriers with the rate of transmission. Such perturbation originates from the Doppler effect and from instantaneous non-linearities arising from the amplification process of the signals, reducing the performance of the system. With this, OFDM has presented a dubious choice for multi-user applications, in which any loss of orthogonality disturbs the synchronization between users causing a significant loss in performance, performance worsens when inserted in a high mobility scenario due to to the problems of the deviation between the frequencies of the transmitting and receiving carriers. The Orthogonal Time Frequency Space (OTFS) modulation technique proposes better performance in high mobility scenarios in relation to OFDM by its ability to bypass channel diversity in data reception due to the sparsity achieved in the conversion of the delay-doppler domain. This is the main motivation of the thesis, to work on modeling a waveform for multi-carrier transmissions from OTFS and to analyze its performance by retrieving the data at a suitable receiver.