Sur les performances des architectures radio à modulation spatiale et duplex intégral

On the performance of spatial modulation and full duplex radio architectures

• Auteur / Autrice : Yanni Zhou
• Direction : Florin Huţu, Guillaume Villemaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CITI - Centre d'Innovation en Télécommunications et Intégration de services (Lyon, INSA) - CITI Centre of Innovation in Telecommunications and Integration of services / CITI
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SOCRATE - Software and Cognitive radio for telecommunications
• Jury : Président / Présidente : Christelle Aupetit-Berthelemot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florin Huţu, Guillaume Villemaud, Christelle Aupetit-Berthelemot, Matthieu Crussière, Marco Di Renzo, Jean-Marie Gorce, Dinh-Thuy Phan-Huy, Taneli Riihonen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Crussière, Marco Di Renzo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Télécommunications

Mots clés libres

Télécommunications

Communication sans fil

Modulation spatiale

Modulation numérique

Radiofréquence

Mimo

Auto-Interférence

Système de communication sans fil

Interférences

Telecommunications

Wireless communication

Spatial modulation

Numerical modulation

Radio frequency

MIMO - Multiple Inputs Multiple Output

Self-Interference

Wireless communication System

Interferences

Résumé

Les techniques de modulation d'indice ont montré un grand potentiel dans les réseaux de communication sans fil de prochaine génération. Dans le domaine de l'indice spatial, la modulation spatiale (SM) en tant que solution à chaine de radio fréquence (RF) unique et à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) a attiré une large attention. Le système SM n'a qu'une seule antenne d'émission activée pour chaque intervalle de temps, ce qui diminue la complexité et le coût du système. Il exploite l'indice des antennes émettrices pour véhiculer des bits d'information supplémentaires. Pour analyser les performances de la SM, un environnement simulé avec le canal d'évanouissement de Rice variable dans le temps est construit avec les logiciels ADS et Matlab et un détecteur d'informations sur l'état du canal (CSI) est mis en évidence. Les résultats sont vérifiés par l'implémentation expérimentale basée sur le matériel du type PXI et l'environnement de programmation LabVIEW de National Instruments (NI). L'analyse pratique prend en compte deux modèles d'environnements de propagation, où une méthode de sondage de canal est utilisée afin d'extraire les coefficients du canal. Malgré les problèmes de complexité et de coût du système, le manque de ressources spectrales peut également restreindre le développement de la technologie des communications mobiles. Les communications en full duplex (FD) ont été développées pour doubler le débit de données de la liaison radio et l'efficacité spectrale grâce à une communication simultanée et bidirectionnelle. Le principal challenge des systèmes FD est l'auto-interférence (SI), qui est causée par le couplage de l'antenne d'émission avec celle de réception. La combinaison de FD et SM non seulement maintiendra l'efficacité spectrale mais aussi réduira la complexité de l'annulation d'auto-interférence (SIC) grâce à la chaîne RF unique. Par conséquent, un système de modulation spatiale en full duplex (FDSM) est proposé ainsi que la méthode SIC. De plus, l'impact de la précision du SIC sur les performances du système est étudié. Nous nous concentrons sur les imperfections du système FDSM, notamment les déséquilibres IQ, le bruit de phase, les non-linéarités d'amplificateur (PA) et les non-idéalités de switch RF. Les performances de taux d'erreur binaire (BER) dans différents scénarios sont analysées, ainsi que la méthode d'estimation et le SIC.

Index modulation techniques have exhibited great potential in the scenarios foreseen in next-generation wireless networks. Applying in the spatial domain, spatial modulation (SM) as a single radio-frequency (RF) multiple-input–multiple-output (MIMO) solution has attracted wide attention. The SM system has only one transmitting antenna activated for each time slot which results in low system complexity and cost. It exploits the index of the transmitting antennas to convey additional information bits. To analyze the SM performance, a simulated framework over the time-varying Rician fading channel is built with ADS and Matlab software and a channel state information (CSI) detector is highlighted. The simulation results are verified by the experimental implementation based on the National Instruments (NI) PXI chassis hardware and LabVIEW programming environment. In the practical analysis, two models of the propagation environments are considered, where a channel sounding method is employed in order to extract the channel coefficients. Despite issues on system complexity and cost, a shortage of spectrum resources can also restrict the development of mobile communications technology. Full duplex (FD) communications have been developed to double the radio link data rate and spectral efficiency through simultaneous and bidirectional communication. The main challenge of FD systems is self-interference (SI), which is caused by the coupling of the transmitting antenna with the receiving one. The combination of FD and SM will not only maintain spectral efficiency but also decrease the complexity of the self-interference cancellation (SIC) because of the single RF chain. Based on these, a full duplex spatial modulation (FDSM) system is proposed as well as the SIC method. Moreover, the impact of SIC accuracy on the system performance is studied. We focus on the FDSM system imperfections including IQ imbalance, phase noise, power amplifier (PA) nonlinearities and RF switch nonidealities. The bit error rate (BER) performance under different scenarios with these imperfections is analyzed, along with the estimation and cancellation method.