Etude des techniques de précodage pour des systèmes multiutilisateurs « large MIMO » en ondes millimétriques pour les futurs réseaux 5G

Hybrid Analogue and digital techniques applied to massive MIMO systems for 5G transmission at millimeter waves

• Auteur / Autrice : Mohamed Shehata
• Direction : Maryline Hélard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance le 07/11/2019
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Mérouane Debbah
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mérouane Debbah, Marie-Laure Boucheret, Sébastien Roy, André Doll, Matthieu Crussière, Patrice Pajusco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Laure Boucheret, Sébastien Roy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Ondes millimétriques

Antennes-réseaux

Mots clés libres

Réseaux d’antennes massif

Précodage

Efficacité spectrale

Massive MIMO

Millimeter wave

Hybrid beamforming

Spectral efficiency

Signal processing techniques

Résumé

L’objectif principal de ce travail est d’analyser analytiquement les performances de la formation de faisceaux hybrides (HBF) dans des systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques (mmWave), de développer des algorithmes HBF de faible complexité et optimiser les systèmes hybrides comprenant des analogiques et numériques pour s’adapter à ces systèmes et enfin de vérifier la validité pratique de ces algorithmes. Le système MIMO massif fournit un gain de transmission élevé, permettent de compenser les pertes importantes en espace libre inhérentes aux transmissions mmWave. D'autre part, l’utilisation de système HBF dans des canaux clairs offre une performance proche de l'efficacité spectrale (SE) par rapport à la formation de faisceau entièrement numérique, avec un coût matériel et une consommation d'énergie inférieurs. Dans cette thèse, nous commençons par définir les conditions pour lesquelles le HBF et la formation de faisceau entièrement numérique peuvent atteindre des performances SE similaires. Ensuite, nous analysons l’écart de performance SE qui se produit entre eux dans des canaux MIMO mmWave. De plus, nous fournissons des modèles analytique SE pour les techniques de base analogiques et HBF dans des canaux MIMO mmWave typiques. Nous considérons ensuite une structure MIMO HBF massive multi-utilisateurs (MU) qui prend en compte plusieurs techniques de traitement de signaux spatiaux de faible complexité afin de fournir un système HBF de faible complexité de mise en oeuvre pour les futurs réseaux de communication sans fil.

The main aim of this work is to analytically analyze the performance of Hybrid Beamforming (HBF) in Millimeter Wave (mmWave) massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems, to develop low complexity HBF algorithms to adapt with such systems and finally to verify the practical validity of these algorithms. The massive MIMO antenna array provides high transmit gain overcoming the severe path-loss limitation of the mm Wave systems. On the other had applying HBF in sparse channels achieves close Spectral Efficiency (SE) perfonnance compared to the full digital beamforming, however with lower hardware cost and power consumption. In this thesis we start by defining the conditions for which bath the HBF and full digital beamfonning can achieve exactly similar SE performance. Then, we analyze the SE perfonnance gap that arise between them in sparse mmWave MIMO channels. Moreover, we provide closed form SE models for basic analog and HBF techniques in typical mmWave MIMO channels. Later we consider a Multi User (MU) massive MIMO HBF framework that considers multiple spatial signal processing techniques for the analog domain processing, digital domain processing, power allocation and users scheduling. We develop low complexity algorithms for such framework in order to provide a low complexity practical HBF framework for future wireless communication networks that can cope with the challenges of mm Wave channels.