Communication Multiporteuse sur des Canaux Mobiles à Evanouissement Rapide : Analyse de l'Interférence, Egalisation et Estimation de Canal

Multicarrier Communication over Fast Fading Mobile Channels : Interference Analysis, Equalization, and Channel Estimation

• Auteur / Autrice : Ahmad Hamdan
• Direction : Laurent Ros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, paroles, télécoms
• Date : Soutenance le 02/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Brossier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste Doré, Éric Simon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joumana Farah Francis, Damien Roque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayleigh, Diffusion de

Modulation numérique

Doppler, Effet

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Modulation multiporteuse (OFDM. FBMC. etc.)

Communication sans fil

Canal de Rayleigh

Canal à variation temporelle rapide

Diversité par effet Doppler

Traitement du signal

Multicarrier modulation (OFDM. FBMC. etc.)

Wireless communication

Rayleigh channel

Rapidly time varying channel

Doppler driven diversity

Signal processing

Résumé

Les technologies de communication et services associés ont progressé à un rythme fulgurantau cours des dernières décennies. Notamment, dans le domaine des communications sans fil, lestravaux de recherche et développement doivent faire face à des demandes de débit, d’efficacitéet de fiabilité, mais aussi à de nouveaux usages. Dans ce domaine, les formes d’onde les pluscouramment utilisées sont les formes d’onde multiporteuses (comme l’OFDM). Elles sont adoptéesdans de nombreuses normes, principalement en raison de leur robustesse à la propagation partrajets multiples, en plus d’autres avantages comme la facilitation de l’accès multiple. Cependant,les systèmes multi-porteuses sont vulnérables à la variation du canal causée par le mouvement durécepteur, qui est, en raison de l’effet Doppler, un problème plus critique pour les hautes fréquencesporteuses attendues dans les années à venir. Par conséquent, ce travail examine en profondeur leproblème de l’utilisation de systèmes multi-porteuses dans des environnements à variation rapide,le quantifie et propose des solutions d’amélioration.Notre première contribution est de fournir une analyse pédagogique de l’interférence causéepar un étalement Doppler élevé, en présence d’abord d’un récepteur conventionnel à corrélation.Nous dérivons ainsi, à partir d’une analyse statistique, des expressions analytiques de la puissanced’interférence pour les systèmes multiporteuses suréchantillonnées avancées. Ces formules sontvalidées par des simulations Monte Carlo. En outre, ces formules sont très utiles pour analyserles propriétés de l’interférence, sa distribution dans les différents symboles voisins en temps ou enfréquence, ainsi que l’impact du choix des impulsions utilisées. Ces observations ont aussi motivéle besoin d’utiliser des récepteurs plus sophistiqués.Afin d’analyser quel type de filtre de mise en forme est le plus performant dans de telles condi-tions, nous avons ensuite effectué une analyse des performances basée sur le taux d’erreur binaire(TEB). Une dégradation significative des performances a été observée avec l’augmentation de l’éta-lement Doppler, en présence d’un récepteur à égalisation fréquentielle standard. Nous avons doncproposé d’assister l’égalisation par un prétraitement opérant dans le domaine temporel. Ce prétrai-tement s’est avéré capable de capter de la diversité avec l’augmentation de l’étalement Doppler,au lieu d’être affecté négativement. L’utilisation des techniques proposées avec des impulsions enracine de cosinus surélevé (RRC) démontre une amélioration significative des performances parrapport à un schéma de transmission classique de l’état de l’art, consistant en l’OFDM à préfixecyclique, assistée en réception d’un égaliseur fréquentiel matriciel des moindres carrés (∼7, 5 dBde gain observé dans le scénario testé).Comme les techniques proposées nécessitent de connaître le canal dans le domaine temporel,nous avons également proposé une stratégie d’estimation de canal assistée par des pilotes, et adé-quate pour fonctionner avec des formes d’impulsions à bande limitée comme la RRC. La techniqued’estimation s’est avérée très précise (faible erreur quadratique moyenne, EQM). Une mise enœuvre complète, comprenant l’estimation de canal et l’égalisation proposées, a ensuite été fournie.Les performances obtenues sont très satisfaisantes, puisqu’on observe un recul des courbes de TEBseulement de ∼1 dB par rapport à une connaissance parfaite du canal, pour des scénarios réalistes.

In the last few decades, communication technologies and the demand for higher quality servicesprovided by these technologies have developed at an extreme rate. As a result, the field of wirelesscommunications research and development has been very active, targeting to meet the require-ments in terms of higher throughput, efficiency, higher reliability, use cases and services. In thisfield, the most common waveforms in use are multi-carrier waveforms (such as OFDM), which areadopted for many standards mainly due to their robustness to multipath propagation, in additionto several other benefits such as the facilitation of multiple access. However, multi-carrier systemsare vulnerable to channel variations caused by receiver motion, which, due to the Doppler effect,is a more critical problem at the high carrier frequencies expected to be used in the coming years.Therefore, in this work, the problem of using multicarrier systems in rapidly changing environmentsis studied in depth, quantified, and solutions are proposed to counteract this vulnerability.Our first contribution is a pedagogical analysis of the interference caused by high Dopplerspread, initially when using a conventional correlator-based receiver. We then derive relativestatistical-based analytical expressions to calculate the levels of such interference for oversam-pled pulse-shaped frequency division multiplexing systems. These are then verified by Monte Carlosimulations. In addition, these formulas have been used to help analyze the characteristics of suchinterference, its distribution among different neighboring symbols in both time and frequency do-mains, and the effect of the pulse shape configuration. These observations motivated the need fora more sophisticated receiver, which was discussed later.To analyze which type of filter performs better under such conditions, we then performed abit error rate (BER)-based performance analysis. A significant degradation in performance hasbeen observed at high values of the Doppler spread for the existing common frequency domainequalization, so we have proposed to assist the equalization by applying time domain preprocessing.This preprocessing proved to have the ability to achieve diversity from high Doppler spread insteadof being negatively affected. Using the proposed techniques with root-raised-cosine (RRC) pulseshape proved to have a significant improvement compared to the state-of-the-art cyclic prefixorthogonal frequency division multiplexing with matrix-form least squares equalization (∼7.5 dBgain observed in the tested scenario).Since the proposed techniques require knowledge of the channel taps in the time domain, wealso proposed a time domain pilot-aided channel estimation that is adapted to operate when usedwith frequency-limited pulse shapes such as the RRC. The estimation technique was shown tohave high accuracy with low mean square error (MSE). A complete implementation was thenprovided, including the proposed estimation and equalization. Performance in terms of BER wasalso provided, and it appeared to have only ∼1 dB degradation under realistic channel conditionscompared to perfect channel knowledge.