Formation de voie multi-utilisateurs dans le domaine angulaire et accès multiple non orthogonal pour les systèmes multi-antennes massifs en ondes millimétriques

Multi-user angle-domain beamforming and non-orthogonal multiple access for millimeter-wave massive MIMO systems

• Auteur / Autrice : Israa Khaled
• Direction : Michel Jézéquel, Bachar El Hassan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire en cotutelle avec Université Libanaise. Faculté des Sciences (Beyrouth, Liban)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe Algorithm Architecture Interactions - Département Mathematical and Electrical Engineering - Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Président / Présidente : Kosai Raoof
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Jézéquel, Bachar El Hassan, Ghaya Rekaya Ben Othman, Jean-Pierre Cances, Chadi Abou Rjeily, Charlotte Langlais, Ammar El Falou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kosai Raoof, Ghaya Rekaya Ben Othman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Codage

Systèmes à entrées multiples et à sorties multiples

Ondes millimétriques

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Transmissions sans fil

Ondes millimétriques

Antennes multiples

Formation de voies

Précodage

Accès multiple

Techniques multi-Utilisateurs

Connaissance partielle du canal

Wireless transmissions

Millimeter waves

Multi-Antennas

Beamforming

Precoding

Multiple access

Multi-User techniques

Partial channel state information

Résumé

Pour répondre à la croissance rapide du nombre d'appareils connectés et aux exigences de qualité de service des services innovants, les générations cellulaires 5G et suivantes proposent de nouvelles technologies, telles que les bandes à ondes millimétriques (mmWave), les systèmes multi-antennes massives (MIMO) et l'accès multiple non orthogonal (NOMA). L'intégration de ces technologies peut améliorer considérablement la capacité du réseau. Cependant, la mise en œuvre d'un nombre massif d'antennes dans les bandes d'ondes millimétriques pose de nombreux problèmes, notamment en termes de consommation d'énergie, de complexité matérielle et de surcharge d'estimation des canaux. L'objectif de ce travail est de résoudre ces problèmes dans les systèmes MIMO-NOMA massifs à ondes millimétriques. Pour ce faire, nous exploitons la caractéristique clé des canaux à ondes millimétriques, c'est-à-dire la transmission fortement directionnelle, qui fait de l'information angulaire une information partielle prometteuse sur l'état du canal. Tout d'abord, nous étudions les performances d'un précodeur de formation de faisceau numérique dans le domaine angulaire (AD-DBF) peu complexe en utilisant le modèle de canal à ondes millimétriques réaliste et statistique appelé NYUSIM de l'université de New York. Ensuite, nous proposons un schéma MIMO-NOMA dans le domaine angulaire pour permettre de desservir un plus grand nombre d'utilisateurs que le schéma AD-DBF classique. En particulier, nous dérivons de nouvelles métriques basées sur l'angle pour concevoir des techniques de regroupement et d'ordonnancement des utilisateurs dans le domaine angulaire et d'allocation de puissance. Troisièmement, nous adoptons la formation de faisceau hybride dans le domaine angulaire pour réduire la consommation d'énergie, la complexité et le coût, lorsque des centaines d'antennes(par exemple, 128, 256) sont mises en œuvre au niveau de l'émetteur. Plus précisément, nous proposons différents schémas de domaine angulaire qui visent à exploiter davantage de degrés de liberté et à permettre la communication même lorsque le nombre d'utilisateurs est supérieur à celui des chaînes de radiofréquence.Dans ce travail, nous avons montré que cette communication MIMO-NOMA massive en ondes millimétriques basée sur l'information angulaire permet une connectivité massive des utilisateurs, même dans des scénarios surchargés, avec une faible surcharge d'estimation de canal. De plus, pour réduire la complexité et le coût,une version hybride est disponible.

To meet the rapid growth in the number of connected devices and the quality-of-servicere quirements of innovative services, the 5G and beyond cellular generations have suggested new technologies, such as millimeter-wave (mmWave) bands, massive multiple-input multiple-output (MIMO), and non-orthogonal multiple access (NOMA). The integration of these technologies, namely "massive MIMO-NOMA-aided mmWave communications," can significantly enhance the network capacity. However, the implementation of a massive number of antennas at mmWave bands poses many challenging issues, including power consumption, hardware complexity, and channel estimation overhead. The aim of this work is to tackle these issues in the mmWave massive MIMO-NOMA systems. To do so, we exploit the key feature of mmWave channels, i.e., the highly directional transmission, that makes the angular information a promising partial channel state information. First, we investigate the performance of a low-complex angle-domain digital beamforming (AD-DBF) precoder in mmWave massive-MIMO systems using the realistic and statistical mmWave channel model called NYUSIM from New York University. Second, we propose an angle-domain MIMO-NOMA scheme to enable the capacity of serving more users compared to the conventional AD-DBF. In particular, we derive new angular-based metrics to design angle-domain user clustering and ordering, and power allocation techniques. Third, we adopt angle-domain hybrid beamforming to reduce power consumption, complexity and cost, when hundreds of antennas (e.g., 128, 256) are implemented at the transmitter. Specifically, we propose different angle-domain schemes that aim at leveraging more degrees of freedom and enabling communication even when the number of users is greater than that of radio-frequency chains. In this work, we have shown that this massive MIMO-NOMA mmWave communication based on angular information provides massive user connectivity, even in overloaded scenarios, with low channel estimation overhead. Moreover, to lower complexity and cost, a hybrid version is available.