Affine Frequency Division Multiplexing (AFDM) pour communications sans fil

Affine Frequency Division Multiplexing (AFDM) for Wireless Communications

• Auteur / Autrice : Ali Bemani
• Direction : Marios Kountouris, David Gesbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut EURECOM (Sophia-Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Dirk T. M. Slock
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lina Mroueh, Arman Shojaeifard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giuseppe Caire, Christos Masouros

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fourier, Transformations de

Données -- Transmission

5G (téléphonie mobile)

Systèmes de communication sans fil

Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence

Mots clés libres

Techniques de transmission

Canaux large bande sélectifs en temps/fréquence

Au-delà de l'OFDM

Affine Frequency Division Multiplexing

Integrated Sensing and Communications

Waveform Design

Time /Frequency Selective Broadband Channels

Beyond OFDM

Affine Frequency Division Multiplexing

Integrated Sensing and Communications

Résumé

La recherche de nouvelles formes d'onde robustes, lorsque utilisées sur des canaux doublement sélectifs, est primordiale. De telles formes d'onde permettraient donc d'assurer des communications fiables pour les réseaux sans fil de nouvelle génération dans les scénarios de haute mobilité. Dans cette thèse, une nouvelle solution, le affine frequency division multiplexing (AFDM), est proposée. Cette nouvelle forme d'onde de type multichirps est basée sur la transformée de Fourier affine discrète (DAFT), une variante de la transformée de Fourier discrète caractérisée par deux paramètres pouvant être adaptés pour mieux faire face aux canaux doublement dispersifs. Cette thèse offre une enquête complète sur les principes de l'AFDM au sein des communications à haute mobilité. Elle fournit un aperçu de la relation explicite entrée-sortie dans le domaine DAFT, révélant l'impact conséquent des paramètres de l'AFDM. Le manuscrit détaille le réglage précis des paramètres DAFT qui permette d'assurer une représentation complète délai-Doppler du canal de propagation sans fil. À travers des démonstrations analytiques, il est affirmé que l'AFDM atteint de manière optimale l'ordre de diversité des canaux doublement dispersifs en raison de la représentation complète délai-Doppler du canal qu'il permet d'obtenir. La thèse propose également deux algorithmes de détection à faible complexité pour l'AFDM, tirant parti de la parcimonie inhérente du canal. Le premier est un détecteur de type minimum mean squared error (MMSE) à faible complexité basé sur la factorisation LDL. Le deuxième est un égaliseur de type decision feedback equalizer (DFE) à faible complexité basé sur la combinaison cohérente, grace à la méthode maximum ratio combining (MRC), de différentes copies des symboles d'entrée du canal ayant été altérés par différents trajets de ce dernier. De plus, la thèse présente une technique de type embedded d'estimation de canal pour les systèmes AFDM, exploitant la capacité de l'AFDM à obtenir une représentation complète délai-Doppler du canal. Dans cette approche, un seul symbole pilote est inséré dans le domain DAFT du symbole AFDM, et les interférences que ce pilote pourrait générer pour les symboles de donnée sont évitées par des intervalles de garde. Un algorithme pratique d'estimation de canal, compatible avec ce schéma de transmission de pilote et basé sur une approche de type approximate maximum likelihood (ML), est aussi proposé. La thèse est conclue en se penchant sur de possibles applications de l'AFDM au delà de celles conçues pour les environnements marqués par une haute mobilité, spécifiquement les applications de type integrated sensing and communication (ISAC) et les communications dans les bandes de hautes fréquences. Il est démontré que pour identifier tous les composants de délai et de Doppler liés au milieu de propagation, on peut utiliser soit le signal AFDM complet, soit seulement sa partie pilote constituée d'un symbole de domaine DAFT et de son intervalle de garde. De plus, la nature chirp de l'AFDM permet une annulation simple de l'auto-interférence, éliminant ainsi le besoin de méthodes coûteuses normalement nécessaires dans les systèmes full duplex. La thèse met également en évidence les bonnes performances de l'AFDM pour les communications sans fil dans les bandes de hautes fréquences sans ou avec mobilité, grâce à la répartition maximale du signal AFDM en temps et en fréquences, assurant un gain de couverture. Contrairement à d'autres formes d'onde, l'AFDM ne fournit pas seulement une répartition maximale temps-fréquences mais assure également une détection robuste et efficace et une résilience au décalage de fréquence de porteuse et au bruit de phase.

In the realm of next-generation wireless systems (beyond 5G/6G), the vision is clear: to support a broad range of services and applications. This includes ensuring reliable communications in environments marked by high mobility, such as high-speed railway systems and various vehicular communications. Despite the deployment of various multicarrier techniques like orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and single-carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) in standardized communication systems, the challenge persists. These techniques, while effective in time-invariant frequency selective channels, face performance degradation in high mobility scenarios due to the destruction of orthogonality among subcarriers caused by significant Doppler frequency shifts. Addressing this, the search for new, robust modulation techniques is paramount. It stands as a key area of investigation aiming to resolve the reliable communications issue for next-generation wireless networks within doubly-selective wireless channels. In this thesis, a novel solution, affine frequency division multiplexing (AFDM), is proposed. This new chirp-based multicarrier waveform is based on the discrete affine Fourier transform (DAFT), a variant of the discrete Fourier transform characterized with two parameters that can be adapted to better cope with doubly dispersive channels. This thesis provides a comprehensive investigation into the principles of AFDM within high mobility communications. It provides insight into the explicit input-output relation in the DAFT domain, unveiling the consequential impact of AFDM parameters. The manuscript details the precise setting of DAFT parameters, ensuring a full delay-Doppler representation of the channel. Through analytical demonstrations, it asserts that AFDM optimally achieves the diversity order in doubly dispersive channels due to its full delay-Doppler representation. The thesis also proposes two low-complexity detection algorithms for AFDM, taking advantage of its inherent channel sparsity. The first is a low complexity MMSE detector based on LDL factorization. The second is a low complexity iterative decision feedback equalizer (DFE) based on weighted maximal ratio combining (MRC) of the channel impaired input symbols received from different paths. Additionally, the thesis presents an embedded channel estimation strategy for AFDM systems, leveraging AFDM's ability to achieve full delay-Doppler representation of the channel. In this approach, an AFDM frame contains a pilot symbol and data symbols, with zero-padded symbols employed as guard intervals to prevent interference. A practical channel estimation algorithm based on an approximate maximum likelihood (ML) approach and compatible with this pilot scheme is also provided. The thesis concludes by delving into the expanded applications of AFDM, specifically in integrated sensing and communication (ISAC) and extremely high frequency (EHF) band communications. It is demonstrated that to identify all delay and Doppler components linked with the propagation medium, one can use either the full AFDM signal or only its pilot part consisting of one DAFT domain symbol and its guard interval. Furthermore, the chirp nature of AFDM allows for unique and simple self-interference cancellation with a single pilot, eliminating the need for costly full-duplex methods. The thesis also highlights AFDM's efficient performance in high-frequency bands (with or without mobility), where the maximal spreading of its signal in time and frequency ensures a coverage gain. Unlike other waveforms, AFDM not only provides maximal time-frequency spreading but also ensures robust and efficient detection, characterized by one-tap equalization and resilience to carrier frequency offset (CFO) and phase noise.