Physical layer design for the uplink of mobile cellular radiocommunication systems

• Auteur / Autrice : Cristina Ioana Ciochina
• Direction : Hikmet Sari, David Mottier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Télécommunications
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Codage

Multiplexage

Amplificateurs de puissance

Résumé

Single-Carrier FDMA (SC-FDMA) est une technique d’accès multiple combinant les avantages des techniques multiporteuses avec les faibles variations d’enveloppe des signaux monoporteuses. Dans cette thèse, nous proposons des solutions exploitant la présence d’antennes multiples pour améliorer les performances de la liaison montante d’un système SC-FDMA, sans augmenter la dynamique du signal. Nous montrons l’importance des contraintes de régulation et des contraintes matérielles, notamment la présence de non-linéarites introduites par l’amplificateur de puissance, dans l’évaluation des performances du système. Le système SC-FDMA a de meilleures performances par rapport à d’autres techniques concurrentes, particulièrement pour les utilisateurs sensibles aux variations importantes de l’enveloppe du signal. C’est généralement le cas de terminaux en bord de cellule avec une faible connaissance du canal qui sont contraints d’utiliser des techniques de diversité d’émission en boucle ouverte pour améliorer leurs performances. Nous proposons une nouvelle méthode permettant d‘appliquer des codes espace-fréquence dans un système SC-FDMA avec deux antennes d’émission, tout en gardant la flexibilité du système et la faible dynamique du signal. Nous étendons la méthode à un plus grand nombre d’antennes, par codage espace-fréquence ou espace-temps-fréquence. Nous proposons enfin des adaptations dans les cas d’un multiplexage spatial, mono ou multi-utilisateur. Les bonnes performances de ces solutions sont confirmées par simulation dans un vaste nombre de scénarios réalistes.

Single Carrier FDMA (SC-FDMA) combining multi-carrier-like multiple access with single-carrier-like envelope fluctuations was chosen for the air interface of future wireless communication systems. This thesis proposes a physical layer design for an uplink system based on SC-FDMA and equipped with multiple transmit antennas. Taking into account the tight implementation constraints at the mobile terminal and the presence of a nonlinear power amplifier, we show the importance of the in-band and out-of-band regulation constraints on the performance of the air interface. In realistic propagation scenarios, SC-FDMA brings significant improvements with respect to its competitors especially for users sensitive to high dynamic variations of the signal envelope. This is typically the case of cell-edge users having limited a priori knowledge of the propagation channel and needing to employ open-loop transmit-diversity techniques to improve their propagation conditions. We propose a new method allowing space-frequency transmit diversity in an SC-FDMA system that keeps both the uplink framing flexibility and the low envelope variations of the signal. This new method designed for two transmit antennas is extended to four or more transmit antennas in the space-frequency or space-time-frequency domains. We also expand these strategies to spatial multiplexing so as to benefit from transmit diversity to increase of the cell and/or user throughput multi-user scenarios and/or in combination with spatial multiplexing techniques. Our analytical and numerical shows the improvements brought by the proposed techniques compared to conventional ones in a vast number of practical scenarios.