Optimisation des formes d’ondes pour les systèmes de communication 6G dans les bandes sub-THz

Waveform optimization for 6G communication systems in the sub-THz bands

• Auteur / Autrice : Yaya Bello
• Direction : José-Luis Jiménez González, Jean-Baptiste Doré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, image, paroles, télécoms
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• 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 : Inbar Fijalkow
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Baptiste Doré, Laurent Ros, Jean-Christophe Sibel, David Demmer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Le Ruyet, Matthieu Crussière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit de phase

MOS complémentaires

Téléphonie mobile

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Traitement du signal

6g

Forme d'onde

Signal processing

6g

Waveform

Résumé

Le déploiement de technologies cellulaires dans des bandes de fréquences plus larges à des fréquences plus élevées constitue une solution attrayante pour accroître les capacités des systèmes de communication sans fil, notamment en termes d'amélioration du débit. Le spectre sub-THz, qui s'étend de 100 à 300 GHz, a été retenu comme un candidat prometteur pour la prochaine génération de technologie sans fil (connue sous le nom de 6G) dû à la largeur de bande substantielle qu'il offre. Cependant, la transmission de signaux dans les fréquences sub-THz pose plusieurs problèmes. En particulier, on peut citer l'atténuation significative des ondes électromagnétiques par le canal de propagation, la fréquence d'échantillonnage élevée pour la conversion analogique-numérique et inversement; et l'impact du bruit de phase généré par les oscillateurs. Par conséquent, la transposition directe des technologies sans fil existantes n'est pas triviale. Cependant, la spécification IEEE 802.15.3d normalise une forme d'onde à porteuse unique avec agrégation de porteuses. De plus, des recherches en cours visent à adapter les formes d'ondes multi-porteuses telles que l’OFDM et la DFT-s-OFDM pour répondre aux caractéristiques des fréquences sub-THz. Dans cette thèse, notre objectif est d'améliorer les performances des systèmes utilisant des formes d'ondes multi-porteuses et qui sont affectées par les effets du bruit de phase introduites par l'oscillateur à haute fréquence.L’origine du bruit de phase peut être attribuée à des fluctuations soudaines, brèves et aléatoires de la phase des composants d'un oscillateur. Ce problème devient de plus en plus grave à mesure que la fréquence de la porteuse augmente, ce qui constitue un défi pour les systèmes de communication envisagés pour des bandes de fréquences du spectre sub-THz. Par conséquent, cette thèse se concentre principalement sur le développement d'algorithmes de traitement du signal visant à atténuer les effets du bruit de phase. Pour atteindre cet objectif, deux aspects essentiels sont explorés dans cette recherche : la formulation de techniques efficaces pour la réduction des effets du bruit de phase et leurs mises en œuvre pratique pour des transmissions radiofréquence réelles. Pour ce faire, des modèles précis de bruit de phase sont utilisés dans cette étude, notamment le modèle de bruit de phase proposé par le standard 3GPP, le modèle de bruit de phase Gaussien et des mesures réelles de bruit de phase obtenues à partir d'émetteurs-récepteurs CMOS en bande D conçus au CEA-Leti. En nous appuyant sur ces modèles, nous avons proposé des algorithmes de compensation du bruit de phase caractérisés par une faible densité de pilotes, particulièrement efficaces pour traiter le bruit de phase de nature corrélé dans les systèmes OFDM et DFT-s-OFDM. Ces algorithmes reposent sur la connaissance et/ou l’estimation de la matrice de corrélation des différentes sources de bruit induites par le bruit de phase. En outre, nous présentons un détecteur optimal, particulièrement adapté aux systèmes DFT-s-OFDM fonctionnant dans des conditions de bruit de phase fort et non corrélé. La performance de ce détecteur dépend des propriétés statistiques des bruits introduits par le bruit de phase. Tout au long de ces contributions, nous nous sommes concentrés sur l'obtention d'une faible complexité de mise en œuvre et d'une efficacité spectrale élevée, avec l'hypothèse sous-jacente de systèmes de communication cohérents.

The deployment of cellular technologies in broader frequency bands at higher frequencies presents an attractive solution for augmenting the capabilities of wireless communication systems, particularly in terms of enhancing throughput. Fortunately, the sub-THz spectrum, spanning from 100 to 300 GHz, has been recognized as a promising contender for the next generation of wireless technology, known as 6G. This is primarily due to the substantial bandwidth it offers. However, transmitting signals in the sub-THz frequencies introduces several challenges. These include the significant attenuation of electromagnetic waves by the propagation environment, the demand for high sampling rates for analog-to-digital conversion, and the adverse impact of phase noise generated by oscillators. Consequently, the direct transposition of existing wireless technologies may not be feasible. On one hand, the IEEE 802.15.3d specification standardizes a single-carrier waveform with carrier aggregation. On the other hand, ongoing research aims to adapt 5G New Radio multi-carrier waveforms like Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Discrete Fourier Transform-Spread-OFDM (DFT-s-OFDM) to suit the characteristics of sub-THz frequencies. In this thesis, our objective is to enhance the performance of multi-carrier waveform systems that are affected by the adverse effects of high-frequency oscillator phase noise.The genesis of phase noise can be traced back to sudden, brief, and random fluctuations in the phase of an oscillator's components. This issue becomes increasingly severe as the carrier frequency rises, posing a substantial challenge to system performance, especially when operating in sub-THz frequency bands. As a result, the primary focus of this thesis centers on the development of signal-processing algorithms aimed at mitigating phase noise. To achieve this goal, two core aspects are explored within this research: the formulation of efficient techniques for phase noise reduction and their practical implementation for real radio-frequency transmissions. To facilitate this, precise phase noise models are utilized in this study, including the proposed 3GPP phase noise model, Gaussian phase noise model, and real measurements obtained from D-Band CMOS transceivers designed at CEA-Leti. Leveraging these models, we have proposed a phase noise compensation algorithm characterized by a low pilot density, particularly effective when dealing with correlated phase noise in both OFDM and DFT-s-OFDM systems. This algorithm relies on having knowledge of the correlation matrix of various noise sources induced by phase noise. Furthermore, we introduce an optimal detector, particularly suited for DFT-s-OFDM systems operating under strong, uncorrelated phase noise conditions. The performance of this detector is contingent upon the statistical properties of the noises introduced by phase noise. Throughout these contributions, we maintain a focus on achieving low implementation complexity and high spectral efficiency, with an underlying assumption of coherent communication systems.