Pré-Distorsion Adaptative basée sur des réseaux de neurones pour la Linéarisation d'amplificateurs de puissance

Adaptive Pre-Distortion for Power Amplifier Linearization based on Neural Networks

• Auteur / Autrice : Alexis Falempin
• Direction : Emilio Calvanese Strinati, Jean-Baptiste Doré, Rafik Zayani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, paroles, télécoms
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• 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 : Marwa Chafii
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Louët, Myriam Ariaudo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Linéarisation (électronique)

Systèmes de communication sans fil

Amplificateurs de puissance

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Réseaux Sans-Fil

Amplificateurs de Puissance

Pré-Distorsion numérique

Efficacité Energétique

Réseaux de Neurones

Meta-Apprentissage

Wireless Networks

Power Amplifiers

Digital Pre-Distortion

Energy Efficiency

Neural Networks

Meta-Learning

Résumé

Les technologies de communications sans-fil modernes repoussent les limites actuelles en termes de débit et bande passante. En effet, l'apparition de nouveaux services impose un débit et accès fortement accrus. La 5G et les technologies de communications futures font l'objet d'une course au haut-débit, à la faible latence et à la connexion de milliards d'objets. Cependant, de telles améliorations impliquent pléthore de défis à relever tels que la durabilité, l'efficacité énergétique, et la complexité des systèmes. A long terme, il semble que pour la 6G, ces défis deviendront primordiaux. En l'occurrence, une attention particulière devra être portée à la conception durable des éléments matériels constituant les transmetteurs et récepteurs sans-fil. Ainsi, il convient de repenser leur conception pour mettre avant des solutions basse complexité et durables.Cette thèse a pour objectif d'améliorer l'efficacité énergétique des amplificateurs de puissance radiofréquence. L'amplificateur de puissance est le composant le plus énergivore de la chaine de transmission radiofréquence. Ainsi, son efficacité énergétique doit être maximisée pour améliorer l'empreinte carbone du système. Mais, ce composant matériel présente des non-linéarités quand il est utilisé proche de sa saturation, zone où son efficacité est maximale. Par conséquent, dans cette thèse, nous nous intéressons à la pré-distorsion numérique pour linéariser l'amplificateur de puissance, et ainsi améliorer son efficacité énergétique. Afin de proposer un module de linéarisation efficace, des techniques d'apprentissage profond, reposant sur des réseaux de neurones, sont considérées. En effet, elles offrent une certaine robustesse et fiabilité pour résoudre des problèmes non linéaires. Toutefois, les réseaux de neurones et particulièrement appliqués à la pré-distorsion numérique, présentent plusieurs problèmes. La complexité, l'adaptabilité et l'efficacité énergétique sont les principaux aspects à prendre en compte pour concevoir une pré-distorsion efficace ; ces derniers faisant défaut aux réseaux de neurones. Pour traiter ces défis, nous proposons une nouvelle conception de pré-distorsion numérique basée sur des réseaux de neurones pour linéariser efficacement l'amplificateur de puissance.Pour atteindre un tel but, cette thèse se construit autour de trois grands axes. (1) Tout d'abord, nous proposons une architecture de réseaux de neurones spécifique et dédiée à la conception d'une fonction de pré-distorsion. Ce faisant, nous améliorons drastiquement la complexité de cette dernière. (2) Ensuite, nous abordons des approches permettant de faire face aux contraintes temporelles qui influent sur l’amplificateur de puissance. On peut notamment citer des effets relatifs à la température et variations électriques du composant. Généralement, les réseaux de neurones sont peu performants lorsqu'ils doivent s'adapter à des événements inconnus de leur apprentissage. Ainsi, pour améliorer l’adaptabilité de notre solution, nous employons une classe d'algorithmes nommée "méta-apprentissage". Par ce biais, nous démontrons que notre système peut s'adapter en utilisant peu de données et temps de calibration avec des résultats satisfaisants, permettant ainsi son usage en condition réelle. (3) Finalement, nous optimisons notre module en vue d’une implémentation matérielle. Spécifiquement, nous proposons d'agir sur la quantification de nos réseaux de neurones pour améliorer leurs consommations en ressources et énergie. Cette opération s’avère cruciale pour une implémentation où les ressources s'avèrent limitées. Pour éviter le bruit induit par la quantification, nous apprenons à notre solution comment l'atténuer. Nos résultats montrent que l’emploi de la quantification n'altère pas les performances du système. De plus, la solution quantifiée présente la même complexité matérielle qu'une transformée de Fourier.

Modern wireless communications are pushing the limits of data rate and communication bandwidth needs. With the appearance of new services, users are expected to increase their data usage and access to services, requiring instantaneous response time. To that extent, 5G and future wireless technologies are in the race for high data rate communications, low-latency and connectivity of billions of things, offering new services for users. However, these improvements lead to key challenges, namely sustainability, energy efficiency and overall system complexity. Looking at the future, it appears that for 6G technology, these challenges will become primordial. Specifically, particular attention shall be paid to offer a sustainable design and development of transmitters and receivers hardware components, which are exhibiting key issues about energy consumption. Thus, the design of transceivers must be rethought to put forward low-complexity and sustainable solutions.In this thesis, our objective is to enhance the power efficiency of radio-frequency power amplifiers, leading to a high global system energy efficiency. Indeed, the power amplifier represents the most power hungry hardware component of the transmitter chain. Then, its power efficiency must be maximized to improve global carbon footprint. Nonetheless, this hardware component exhibits strong nonlinearities when operated close to its saturation, where its power efficiency is high. Therefore, we focus on digital pre-distortion approach to linearize the power amplifier and improve its power efficiency. To propose an efficient linearizing module, deep learning, neural networks, solutions have emerged as they offer robustness and reliability to solve nonlinear problems. However, neural networks and particularly applied to digital pre-distortion are facing several issues which represent a bottleneck. Complexity, adaptivity and energy efficiency are the main aspects that a pre-distortion module must take into consideration to be robust. These represent the main challenges of neural networks in this use case. To address these challenges, we propose in this thesis, a novel design of digital pre-distortion based on neural networks to linearize efficiently a power amplifier.To achieve such goal, this thesis is structured on three main axes. (1) First, we propose a fully customized architecture of neural networks dedicated to perform digital pre-distortion. By doing so, we think differently from the ``blackbox'' architecture design and drastically lower the complexity of the digital pre-distortion module. By breaking down the complexity, we are able to offer a cost-effective digital pre-distortion. (2) Second, we investigate approaches to deal with the time-varying effects that may affect the power amplifier, such as the temperature or electrical variations. Usually, neural networks have a poor capacity to adapt to unseen events during their training. Then, to improve the adaptivity of our solution, we choose to use a new class of learning algorithms called meta-learning. Using the latter, we demonstrate that with few data and calibration time, our proposed digital pre-distortion is able to deal with time-varying power amplifiers, with satisfying results for real-world applications. (3) Third, we further optimize our module by considering hardware implementation aspects. We propose to perform quantization on our neural networks to improve the computing resource usage and lower the energy consumption. This step is crucial to propose a hardware implementation since we would like to optimize the computing load and energy efficiency of the system. To avoid the noise induced by the quantization operation, we learn our model how to mitigate this noise by using a quantization aware training. Our results show that our quantized digital pre-distortion has the same performance as without quantization, and presents the same complexity as the implementation of a fast Fourier transform.