Techniques de réception avancées pour systèmes de télécommunications cellulaires sans-fils de type 3GPP LTE

par Andrea Ancora

Thèse de doctorat en Electronique et communications

Sous la direction de Dirk T. M. Slock.

Soutenue en 2010

à Paris, Télécom ParisTech .

mots clés

• Ofdm
• Radiocommunications mobiles
• LTE (norme)
• Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence

Résumé

Atteindre une meilleure efficacité spectrale et une fiabilité accrue sont les objectifs des systèmes sans fil à venir. Dans la poursuite de ces objectifs, il est impératif d'élaborer des stratégies avec contraintes pratiques afin que les solutions soient applicables dans le monde réel. Dans cette thèse, l’accent est donc mis sur les systèmes de communication ayant une dimension réalisable. Dans la première partie de la thèse, nous discutons le principe du Multiplexage Orthogonale en Fréquence (OFDM). En particulier, on examine son application au système 3GPP LTE en sa couche physique et son dimensionnement. Dans la deuxième partie, on considère les Signaux de Référence en LTE et la modélisation du canal sans-fil. On aborde ensuite l’estimation de canal en étudiant l’impacte sur les méthodes classiques. Dans la suite, on introduit plusieurs nouvelles techniques et on analyse leurs performances dans un cadre général. Dans la dernière partie, on considère la détection du signal OFDM détérioré par des canaux sélectifs. D’abord, on se penche sur l’égalisation linéaire. Pour éviter la complexité élevée de ces dernières, on développe des méthodes itératives d’intérêt pratique. En exploitant la Modélisation par Expansion en Bases du canal et le pre-conditionnement, on démontre que leur complexité est de l’ordre de la FFT en offrant des performances presque idéales. Finalement, on discute la détection des codes Alamouti imparfaite. On détermine les limites théoriques et, ensuite, on révise les approches non-optimales. Enfin, on présente une méthode basée sur Réduction de Treillis qui se révèle optimale vis à vis de l’ordre de diversité avec une perte négligeable de gain de codage.

Titre traduit

Advanced reception techniques for 3GPP LTE wireless cellular telecommunications systems

Résumé

Achieving enhanced spectral efficiency and increased reliability are the leading objectives of upcoming wireless systems. In the pursuit of these objectives, it is imperative to devise strategies taking into account the practical constraints so that the ensuing solutions are implementable in the real world. Our focus in this thesis is therefore on the practical communication systems. In the first introductive part of the thesis, we discuss the classical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) principle highlighting its advantages such as low-required decoding complexity in case of multipath propagation channel together with its well-known limitations induced by impaired reception. Furthermore, we carefully examine its application to next generation 3GPP Long Term Evolution (LTE) wireless telecommunication system. In this sense, LTE OFDMA physical-layer system parameters are detailed and their dimensioning explained from the 3GPP standard perspective. In the second part of the thesis, we first consider the design of Reference Signals in LTE and the wireless propagation channel model. We then approach the Channel Estimation problem. In particular, we study the impact of LTE system parameters on common linear channel estimation techniques and introduce several new methods applicable in this specific context. Furthermore, we propose a general framework for the performance analysis of classical and proposed methods. In the last part of the thesis, we consider impaired OFDM reception in the case of selective channels. As a first step, we deal with linear OFDM equalization in highly doubly selective channels. In order to avoid complex matrix inversion entailed by straightforward application of linear equalization, we develop iterative equalization methods which show to be very attractive from an implementation point of view. Exploiting Basis Expansion Model of the frequency-selective time-varying channel and preconditioning, we show that the complexity of such methods are roughly linearly proportional to the OFDM FFT order but yet attaining MMSE equalizer performance within an acceptable performance loss. Finally, we discuss Alamouti block-code reception for OFDM in case highly selective channel. We determine useful Maximim-Likelihodd (ML) detection bounds and then revise linear and non-linear detection approaches. To overcome known sub-optimality of such methods, we present a Lattice Reduction aided-near-ML techniques which reveals to offer optimal diversity-order detection performance with negligible coding gain loss.