Conception de schémas de modulation codés basés sur des codes LDPC non binaires

Design of Coded Modulation Schemes Based on Non-Binary LDPC Codes

• Auteur / Autrice : Asma Maalaoui
• Direction : Charly Poulliat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunication
• Date : Soutenance le 14/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Boutillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charly Poulliat, Emmanuel Boutillon, Christophe Jego, Iryna Andriyanova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Cances, Frédéric Guilloud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Codage

Mots clés libres

Code LDPC

Mise en forme probabiliste

Mise en forme géométrique

MIMO optique

Modulation codée

Décodage itératif

LDPC code

Probabilistic shaping

Geometric shaping

Optical MIMO

Coded modulation

Iterative decoding

Résumé

Cette thèse aborde le schéma de modulation codée (CM) basé sur la signalisation de modulation d'amplitude en quadrature (QAM) et le codage de canal à contrôle de parité à faible densité (LDPC). Il se concentre également sur la signalisation non uniforme invariante dans le temps en combinaison avec la mise en forme d'amplitude probabiliste (PAS) et les modulations QAM circulaires (CQAM). Tout d'abord, la thèse décrit les principaux composants de transmission de l'émetteur au récepteur sur le canal physique. Ensuite, certaines notions utilisées comme métriques pour l'évaluation des performances sont analysées, et on note typiquement l'information mutuelle (IM). En outre, des documents de référence pertinents sur les techniques de mise en forme et les codes LDPC sont présentés. Deuxièmement, la thèse porte sur les canaux de perte dépendant de la polarisation (PDL) des réseaux optiques. Deux techniques de précodage précédentes, SB et NSB, sont révisées et analysées pour les capacités CM et CM entrelacées de bits (BICM). Nous étudions également la combinaison du canal PDL précodé et du codage de mise en forme probabiliste (PS) pour améliorer les performances du système. Par ailleurs, deux nouvelles approches basées sur le traitement de l'information non binaire ont été testées ; la conception de codes protographes non binaires dans le cadre du NSB et la création d'un CM entrelacé de symboles (SICM) basé sur des codes LDPC protographes non binaires. Ensuite, la thèse analyse les schémas de mise en forme géométrique (GS) existants sur le plan complexe. Nous proposons la construction de constellations CQAM (c,p) avec une signalisation équiprobable pouvant approcher la capacité gaussienne. De plus, nous concevons des codes LDPC de protographe non binaires simples pour les constellations GS afin de montrer que nous pouvons opérer à proximité de la capacité du canal. Enfin, en déployant la nouvelle conception des constellations CQAM, nous proposons comment combiner des codes LDPC non binaires avec PAS. Par rapport à la signalisation uniforme, des gains de performances significatifs sont obtenus sur le canal AWGN pour les longueurs de bloc courtes.

This thesis addresses the coded modulation (CM) scheme based on quadrature amplitude modulation (QAM) signalling and low-density parity-check (LDPC) channel coding. It also focuses on time-invariant non-uniform signalling in combination with probabilistic amplitude shaping (PAS) and circular QAM (CQAM) modulations. First, the thesis describes the main transmission components from the transmitter to the receiver over the physical channel. Then, some notions used as metrics for performance evaluation are analyzed, and we typically note the mutual information (MI). Also, relevant background materials on shaping techniques and LDPC codes are presented. Second, the thesis focuses on optical networks' polarization-dependent loss (PDL) channels. Two previous precoding techniques, SB and NSB, are revised and analyzed for the CM and bit- interleaved CM (BICM) capacities. We also investigate the combination of the precoded PDL channel and probabilistic shaping (PS) encoding to enhance the system's performance. Furthermore, two new approaches based on non-binary information processing have been tested; the design of protograph non-binary codes under the NSB framework and the creation of a symbol interleaved CM (SICM) based on non-binary protograph LDPC codes. Then, the thesis analyses existing geometric shaping (GS) schemes on the complex plane. We propose the construction of (c,p) CQAM constellations with equiprobable signalling that can approach the Gaussian capacity. In addition, we design simple non-binary protograph LDPC codes for GS constellations to show that we can operate close to the channel capacity. Finally, deploying the new CQAM constellations design, we offer how to combine non-binary LDPC codes with PAS. Compared to uniform signalling, significant performance gains are achieved on the AWGN channel for short blocklengths.