Conception de la Couche Physique pour les Futurs Systèmes de Communication Sub-TeraHertz

Design of the Physical Layer for Future Sub-TeraHertz Communication Systems

• Auteur / Autrice : Simon Bicais
• Direction : José-Luis Jiménez González, Jean-Baptiste Doré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, paroles, télécoms
• Date : Soutenance le 12/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Ros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mérouane Debbah, Ana Garcia Armada
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Gorce, Inbar Fijalkow

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs à ondes millimétriques

Transistors sous-térahertz

Radiofréquences

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Traitement du Signal

Radiocommunications

Couche Physique

Communications Millimétriques

Architecture Radiofréquences

Signal Processing

Wireless Communications

Physical Layer

Millimeter-Wave Communications

Radio-Frequency Architecture

Résumé

Les futurs réseaux de communications pour déployer des services sans-fil très haut-débit envisagent l’utilisation de larges bandes de fréquences. Alors que les bandes de fréquences habituelles dans le spectre sub-6 GHz sont extrêmement prisées et limitées, la future génération de réseaux mobile amorce une montée en fréquence en exploitant les bandes millimétriques. Dans cette quête de ressources fréquentielles, le spectre sub-THz, de 90 à 300 GHz, offre des bandes disponibles d'une largeur sans précédent. Les communications sans-fil dans les fréquences sub-THz sont donc considérées comme une solution privilégiée pour atteindre des débits de l’ordre du Tbit/s et ainsi répondre aux futurs besoins de la connectivité sans-fil. Néanmoins, bien qu'elles soient matures, les technologies sans-fil existantes ne peuvent être directement transposées aux bandes sub-THz car elles ne tiennent pas compte des caractéristiques spécifiques des communications sub-THz. Il est donc nécessaire de mener des recherches supplémentaires afin de concevoir des systèmes de communication performants et adaptés aux enjeux et contraintes de ce nouveau spectre. Parmi les principaux défis technologiques amenés par la montée en fréquence et l’utilisation de bandes larges se trouvent les limitations de performance dues aux oscillateurs générant un bruit de phase important et une problématique d’échantillonnage à très haute fréquence. Dans cette thèse, les recherches menées portent sur le développement de la couche physique pour les systèmes de communication sub-THz et tentent de lever ces verrous technologiques. Notre objectif est double : augmenter le débit de données de communication et assouplir les contraintes sur les architectures radiofréquences. Pour ce faire, notre approche consiste à concevoir conjointement le traitement du signal pour les domaines analogique et numérique.Les deux principales contributions de ce travail sont les suivantes : l'optimisation d'émetteurs-récepteurs cohérents pour les canaux à fort bruit de phase ; et la proposition de systèmes de communication dédiés avec des architectures non-cohérentes et haut-débits. Tout d'abord, nous avons proposé des schémas de transmission optimisés pour les canaux à fort bruit de phase comprenant : la modulation, la démodulation, et l'adaptation de lien. Les solutions proposées permettent de réaliser des communications à haute-efficacité spectrale avec des contraintes relâchées sur les oscillateurs radiofréquences. Par conséquent, nos travaux décrivent des solutions techniques précieuses au développement de couches physiques à haute efficacité spectrale pour le spectre sub-THz. Dans un second temps, nous avons également ciblé les couches physiques de faible complexité et simple à mettre en œuvre dans les fréquences sub-THz. Nous avons ainsi étudié la conception de systèmes de communication spécifiquement dédiés au bandes sub-THz utilisant des architectures non cohérentes. Pour réaliser des communications haut-débit avec des architectures non-cohérentes, nous avons notamment considéré l’utilisation du multiplexage spatial et de larges bandes de fréquences. Nos travaux sur le multiplexage spatial dans les fréquences sub-THz démontrent que des communications haut-débit peuvent être réalisées sur des architectures de faible complexité et de faible puissance en utilisant des systèmes multi-antennaire et des récepteurs à détection d'énergie. Par ailleurs, utiliser de larges bandes de fréquences implique de fortes contraintes sur la conversion analogique-numérique. Afin de réduire les fréquences d’échantillonnage des convertisseurs et de simplifier la mise en œuvre pratique, nous avons proposé un nouveau récepteur pour les systèmes radio-impulsionnels haut-débit. Nous avons montré qu’une architecture de réception avec des projections parallèles du signal reçu dans le domaine analogique conduit à des performances quasi-optimales avec des fréquences d'échantillonnage considérablement réduites.

To deploy high-rate wireless services, future communication networks envisage the use of wide frequency bands. Still, the usual frequency bands in the sub-6 GHz spectrum are extremely limited and expensive. To expand its available spectrum, the forthcoming generation of mobile networks with 5G initiates the use of higher frequencies through the exploitation of millimeter-wave bands. In this search for frequency resources, the sub-THz spectrum from 90 to 300 GHz offers unprecedentedly large available bands, several tens of GHz. Wireless communications in sub-THz frequencies are therefore seen as a foremost solution to achieve Tbit/s data rates and meet the requirements of future wireless connectivity. Nevertheless, existing and mature wireless technologies cannot be directly transposed to the sub-THz bands as they do not consider the specific features of sub-THz communications. Additional research is hence required to design efficient communication systems adapted to the constraints of sub-THz frequencies. Some of the major technological challenges brought by using high carrier frequencies and large bandwidths include: the performance limitations caused by the strong phase impairments of high-frequency oscillators; and the problem of high sampling rates required by the analog-to-digital conversion. In this thesis, the conducted research focuses on the development of the physical layer for sub-THz communication systems and attempts to overcome these technological barriers. Our objective is twofold: to increase the communication data rate and to relax the constraints on radio-frequency architectures. To do so, our approach consists in jointly designing signal processing for the analog and digital domains.The two main contributions of this work are: the optimization of coherent transceivers for strong phase noise channels; and the proposal of dedicated communication systems with non-coherent and high-rate architectures. First, we have proposed optimized transmission schemes for strong phase noise channels including: the modulation, the demodulation, and the link adaptation. The proposed solutions achieve high spectral efficiency communications with relaxed constraints on radio-frequency oscillators. Our results show that the use of optimized transmission schemes greatly contributes to mitigate the impact of phase noise on coherent transceivers. Consequently, our work describes valuable technical solutions to the development of physical layers with high spectral efficiency for the sub-THz spectrum. Second, we have also targeted low-complexity physical layers readily implementable in sub-THz frequencies. We have studied the design of communication systems specifically dedicated to the sub-THz bands using non-coherent architectures. In order to implement high-rate communications with non-coherent architectures, we have considered the use of spatial multiplexing and wide frequency bands. Our work on spatial multiplexing in sub-THz frequencies demonstrates that high-rate communications can be implemented with low complexity and low power architectures using multi-antenna systems and energy detection receivers. Besides, the use of wide bands strongly constrains the analog-to-digital conversion. In order to reduce the required sampling frequencies of converters and to simplify practical implementations, we have proposed a new receiver for high-rate impulse radio systems. We have shown that the proposed receiver architecture, using parallel projections of the received signal in the analog domain, leads to near-optimal performance with significantly reduced sampling frequencies.