Retour vers Les Monoporteuses pour les Communications de l’après 5G : Nouvelles techniques de modulation d'index pour le système Térabits sans fil à faible puissance dans les bandes sous-Térahertz

Back to Single-Carrier for Beyond-5G Communications above 90GHz : Novel Index Modulation techniques for low-power Wireless Terabits system in sub-THz bands

• Auteur / Autrice : Majed Saad
• Direction : Faouzi Carlos Bader, Jacques Palicot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications (STIC)
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : CentraleSupélec
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Didier Le Ruyet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Di Renzo, Ana Isabel Perez-Neira, Kostas Berberidis, Ali Chamas Al Ghouwayel, Hussein Hijazi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Di Renzo, Ana Isabel Perez-Neira

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technologie 5G

Systèmes à entrées multiples et à sorties multiples

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Térabits

Térahertz

Ondes millimétriques

Modulation d’index

MIMO

Domaine filtre

Terabits

Terahertz

Millimeter wave

Index modulation

MIMO

Filter index modulation domain

Résumé

Pour les futures applications de l’après 5G des communications sans fils de l’ordre du Terabits/s sont envisagées. Pour atteindre ce niveau de débit, il faudra disposer d’une grande largeur de bande. Comme le spectre est déjà saturé autour de 6 GHz, il est envisagé d’utiliser la bande sous-THz (90-200GHz). Les formes d’ondes doivent être étudiées en prenant en compte les caractéristiques des canaux à ces fréquences, les limitations technologiques. Nous avons donc proposé d’étudier une modulation mono-porteuse très efficace énergétiquement, puis d’accroitre son efficacité.Dans un premier temps les techniques MIMO multiplex spatial et Spatial Index Modulation (GSM) sont étudiées. En particulier des détecteurs réduisant la complexité de 99% sont proposés. La corrélation spatiale du GSM est étudiée. Une modulation d’index dans le domaine de la polarisation est aussi proposée pour augmenter l’efficacité spectrale.Dans un second temps, nous proposons le domaine filtre pour l’indexation. Dans ce domaine, nous avons proposé deux nouvelles modulations d’index : la modulation d’index de filtre de mise en forme (FSIM) et sa version en phase et en quadrature (I/Q-FSIM). Une version MIMO de ces modulations est aussi proposée. Différents détecteurs sont proposés, ainsi que des techniques d’égalisation. Ces modulations nécessitent de définir des bancs de filtres avec de fortes contraintes. Deux solutions sont proposées pour résoudre ce challenge, qui font partie des perspectives de cette thèse. Tous nos résultats confirment que la modulation FSIM MIMO offre un gain considérable par rapport aux modulations de l’état de l’art et permet d’atteindre le Terabits/s dans les canaux sous-THz.

Wireless Terabits per second (Tbps) link is needed for the new emerging data-hungry applications in Beyond 5G (B5G). Besides, the sub-THz bands are the next frontier for B5G due to scarce and limited bandwidth at lower frequencies. Even though a wider bandwidth and large-scale MIMO are envisioned, but the system and waveform design should consider the channel characteristics, technological limitations, and high RF impairments. Hence, we proposed to use an energy-efficient single carrier modulation with spectral-efficient Index Modulation (IM) and MIMO. First, Spatial Multiplexing (SMX) and Generalized Spatial Modulation (GSM) are studied. We reduced their optimal detection complexity by 99% and the spatial correlation effect on GSM. Then, we proposed dual-polarized (DP)-GSM that provides higher spectral efficiency (SE) via multi-dimensional IM and helps with the latter problem. Afterwards, we proposed the novel filter IM domain that generalizes most existing SISO schemes. We also proposed two novel schemes (Filter Shapes IM (FSIM) and Quadrature FSIM) with their optimal low complexity detectors and specialized equalizers to enhance SE and energy efficiency (EE). Striving for more SE/EE improvement, this IM domain is exploited in MIMO context. To conclude, the proposed SMX-FSIM is compared in sub-THz environment to the previous candidates. The results confirm that SMX-FSIM is the most promising solution for wireless Tbps due to its high SE/EE, robustness to RF impairments, low power consumption, and low complexity/cost with a linear receiver. Finally, the challenging filter bank design imposed by the filter IM domain is tackled by optimization to achieve better results.