Les constellations tournées pour les réseaux sans fil et l'internet des objets sous-marins

Rotated constellations for wireless networks and the internet of underwater things.

• Auteur / Autrice : Tarak Arbi
• Direction : Benoît Geller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 04/02/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau). Unité d'Informatique et d'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Inbar Fijalkow
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Lehmann, Jean-Marie Gorce, Pierre Pasquero, Frédéric Gourgue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Cances, Christophe Laot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Estimation, Théorie de l'

Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence

Transmission numérique

Internet des objets

Démodulation (électronique)

Mots clés libres

Maximum a Posteriori

Complexité de démodulation

Diversité du signal

Synchronisation de phase

Papr

Constellations tournées

Rotated Constellations

Maximum a Posteriori

Phase Synchronization

Signal Space Diversity

Papr

Demodulation Complexity

Résumé

La croissance exponentielle du nombre d’objets communicants et la demande accrue pour les services sans fil d’une part, et le besoin de réduire le coût énergétique des communications radio et les émissions associées de gaz à effet de serre, rendent les techniques qui sont efficaces à la fois en terme de ressources spectrales et en terme de ressources énergétiques, comme les constellations tournées, particulièrement intéressantes. En effet, les constellations tournées donnent de meilleures performances théoriques que les constellations conventionnelles sur les canaux à évanouissements grâce à un ordre de diversité implicite.Néanmoins, plusieurs problèmes liés au déploiement de cette technique constituent un frein pour une adoption plus large de cette modulation dans la pratique. Pour cela, dans cette thèse, nous proposons plusieurs solutions originales pour faire face à ces limitations.Tout d’abord, nous avons étudié les propriétés structurelles des constellations M-QAM tournées avec une série particulière d’angles de rotation α=arctan⁡(1/√M) afin de mettre en œuvre une méthode de détection de faible complexité pour les canaux à évanouissements avec ou sans effacements.Ensuite, nous avons proposé deux techniques distinctes et originales pour la réduction du PAPR pour les systèmes OFDM utilisant les constellations tournées ; d’abord, une technique SLM aveugle est proposée pour laquelle deux angles de rotation sont sélectionnés de façon à optimiser conjointement le taux d’erreur binaire des constellations et les performances théoriques de décodage aveugle. De surcroît, une technique d’entrelacement aveugle est proposée. Afin de réduire la complexité de décodage aveugle pour cette technique, nous nous basons à nouveau sur les propriétés des constellations M-QAM tournées avec α=arctan⁡(1/√M), pour concevoir un estimateur à faible complexité.Enfin, nous avons proposé un estimateur original de synchronisation de phase par lissage à faible complexité inspiré de l’approche Maximum a Posteriori (MAP). Cet estimateur permet d’estimer le décalage de phase variable aléatoirement dans le temps, à travers deux boucles d’aller-retour. L’estimateur proposé prend en compte de façon inhérente les caractéristiques des constellations tournées, contrairement aux estimateurs conventionnels, ce qui lui permet d’approcher la borne de Cramèr-Rao que nous avons développée.

The exponential growth of the number of communicating objects and the rising demand for wireless services on the one hand, and the need to reduce the energy cost of radio communications with the associated greenhouse gas emissions on the other side, make bandwidth-power efficient techniques, such as rotated constellations, particularly interesting. Indeed, rotated constellations allow better theoretical performance than conventional constellations over fading channels thanks to an inherent Signal Space Diversity (SSD).Nevertheless, several issues prevent wider deployment of this technique. Therefore, in this PhD thesis, we propose several original solutions to face these limitations.First, we study the structural properties of M-QAM constellations rotated with a series of rotation angles α=arctan⁡(1/√M) , so as to propose a low-complexity detection technique for fading channels with or without erasures.Then, we propose two distinct and original techniques to reduce the PAPR of OFDM systems with SSD; first, a blind SLM technique is proposed for which two rotation angles are selected so as to jointly optimize the theoretical bit error rate of the constellations and the theoretical blind decoding performance. In addition, a completely blind interleaving technique is proposed. In order to reduce the blind decoding complexity for this second technique, we rely again on the properties of the M-QAM constellations rotated with α=arctan⁡(1/√M) , to design a low-complexity estimator.Finally, we propose an original phase estimator for rotated constellations based on a low-complexity smoothing approach inspired by the Maximum a Posteriori (MAP) principle. This estimator operates off-line and allows the estimation of randomly time-variable phase shifts through two phase-locked loops. The proposed estimator inherently takes into account the characteristics of rotated constellations, in contrast with conventional estimators, which allows to approach the Cramèr-Rao bound.