Précodage hybride pour MIMO massif multi-utilisateurs à faible consommation énergétique

Low energy consumption design of hybrid precoding for multi-user massiveMIMO in sub-THz frequencies

• Auteur / Autrice : Florian Polster--prieto
• Direction : Inbar Fijalkow
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Stic - ed em2psi
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Économie, Management, Mathématiques, Physique et Sciences Informatiques (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ETIS - Equipes Traitement de l'Information et Systèmes

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation

MIMO massif

Sub THz

Faible consommation énergétique

Optimization

Massive MIMO

Sub THz

Low energy consumption

Résumé

Les émetteurs à l'échelle nano sont perturbés par un bruit de phase important (modélisé par un bruit Gaussien ou de Wiener) du aux hautes fréquences des oscillateurs. Deux approches sont généralement considérées : (i) des modulation on-off étalées en temps ou (ii) une modulation avec compensation du bruit de phase DFT-s-OFDM. Ces modulation peuvent être étendues aux systèmes MIMO massifs. Cependant, la parcimonie des composants des trajets peuvent décomposer les canaux en différentes directions pour différentes sous-porteuses en fréquence ou différentes fréquences dans une sous-porteuse. Cet effet de « trajet qui louche » résulte en une perte considérable dans le gain de canal. Comme de telles pertes sont plus importantes dans les architectures analogiques, des architectures hybrides doivent être développées pour réduire l'effet de louchage de faisceau résultant. En particulier, la factorisation parcimonieuse des matrices de retard Vandermonde devrait permettre des communications sans effet de louchage de faisceau. La théorie des grandes matrices aléatoires pourrait être utilisée pour concevoir et analyser ces précodeurs. Au niveau de l'accès, le MIMO massif sans infrastructure cellulaire est vue comme une solution d'accès prometteuse. Cependant, le contrôle d'accès MAC en sub-THz est significativement différent de celui des générations précédentes à cause des caractéristiques des canaux particulières. Les gains de diversité spatiale des architectures sans infrastructure cellulaire deviennent particulièrement visibles en sub-THz car le signal depuis un point d'accès particulier est facilement bloqué, mais le risque que tous les points d'accès avoisinant soient simultanément bloqués est moindre. En particulier, il y a un fort besoin dans des systèmes MIMO ultra-massifs (um-MIMO). Une faible quantité de coordinations entre les points d'accès devrait permettre d'améliorer les débits de manière significative. L'efficacité énergétique et la consommation énergétique des solutions proposées seront considérés comme un fils directeur de ce travail.

Nanoscale transceivers are impaired by important phase noise (modeled by a Gaussian or Wiener model) due to high frequency oscillators. Two approaches are usually considered : (i) pulsebased, asymmetric, on-off-keying modulation spread-in-time or (ii) compensated phase noise DFT-s-OFDM. These designs can be extended to massive MIMO. However, the sparse sub-THz channel's path components can split into different spatial directions for various subcarrier frequencies or diverse frequencies within a subcarrier. This beam-squint effect results in a considerable arraygain loss. Since such losses are more significant in analog architectures, hybrid precoding architectures should be developed to mitigate the resultant beam squint. In particular, sparse factorizations of delay Vandermonde matrices should enable beam-squint-free communications. Random matrix theory could be used to the design and analysis of these precoders. On the access level, cell-free massive MIMO is regarded as a promising access solution. However, the medium access control in sub-THz is significantly different from that of previous generations due to the distinct channel characteristics. The spatial diversity gains of the cell-free architecture become particularly evident in sub-THz because the signal from a single access point is easily blocked, but the risk that all neighboring access points are simultaneously blocked is much lower. In particular, there is a strong need for ultra-massive multiple-input–multiple-output (um-MIMO) systems. A small amount of coordination among access points should allow to improve the throughput significantly. The energy efficiency and energy consumption of the proposed solutions will be considered as a guiding design tool of this work.