Tesis sobre el tema "MIMO multi-utilisateurs"

Afin de répondre au besoin de capacité dans les réseaux sans fil, les techniques de transmission, et les modèles pour les étudier, ont évolués rapidement. Des communications point à point avec une seule antenne nous sommes passé aux réseaux cellulaires de nos jours: de multiples cellules et de multiples antennes. Progressivement, plusieurs hypothèses ont été faites, soit afin d'avoir des modèles réalistes, mais aussi parfois pour permettre une analyse plus simple. Nous analysons l'impact de trois aspects des réseaux réels. Nous nous concentrons sur le délai dans l'acquisition des coefficients des canaux par l'émetteur puisque sa prise en compte détériore grandement le gain de multiplexage du canal si rien n'est fait pour utiliser efficacement le temps mort au cours duquel les émetteurs ne transmettent pas et n'ont pas encore la connaissance du canal. Nous proposons des schémas de transmission pour utiliser efficacement ce temps mort afin d'améliorer le gain de multiplexage. Dans les réseaux multi-cellulaires, un schéma de transmission optimal est proposé et permet de n'avoir aucune perte de gain de multiplexage même en cas de retard important dans la connaissance de canal. Concernant le nombre d'utilisateurs, nous proposons un nouveau critère pour la sélection des utilisateurs de les configurations à une seule cellule afin de bénéficier de la diversité multi-utilisateurs, et nous proposons deux schémas d'alignement d'interférence pour systèmes multicellulaires afin de bénéficier du fait qu'il y a généralement plusieurs utilisateurs dans chaque cellule. Des schémas bénéficiant de la connectivité partielle pour augmenter le gain de multiplexage sont également proposés
In order to meet ever-growing needs for capacity in wireless networks, transmission techniques and the system models used to study their performances have rapidly evolved. From single-user single-antenna point-to-point communications to modern multi-cell multi-antenna networks there have been large advances in technology. Along the way, several assumptions are made in order to have either more realistic models, but also to allow simpler analysis. We analyze three aspects of actual networks and try to benefit from them when possible or conversely, to mitigate their negative impact. We focus on the delay in the CSI acquisition. Precisely, when taken into account, this delay greatly impairs the channel multiplexing gain if nothing is done to use the dead time during which the transmitters are not transmitting and do not yet have the CSI. We review and propose different schemes to efficiently use this dead time to improve the multiplexing gain in both the BC and the interference channel (IC). We evaluate the more relevant net multiplexing gain, taking intoaccount the training and feedback overhead. Results are surprising because potential schemes to fight delay reveal to be burdened byimpractical overheads in the BC. In the IC, an optimal scheme is proposed. It allows avoiding any loss of multiplexing gain even forsignificant delay in the CSI acquisition. Concerning the number of users, we propose a new criterion for the greedy user selection in a BC to benefit of the multi-user diversity, and two interference alignment schemes for the IC to benefit of having multiple users in each cell. Finally, partially connected cellular networks are considered and schemes to benefit from said partial connectivity to increase the multiplexing gain are proposed

Les systèmes de communication MIMO à utilisateurs multiples (MU-MIMO) connus dans la théorie de l'information comme système de canal de diffusion de l'anglais Broadcast Channel (BC) est devenu ces dernières années l'un des sujets les plus étudiés dans le domaine des communications sans fil. Cet intérêt important vient de l'énorme potentiel qu'il offre dans l'amélioration aussi bien de la fiabilité que la stabilité des systèmes. Par ailleurs, ce type de système commence à apparaître dans les systèmes de nouvelle génération tels que LTE, WiFi. . . Cependant, du fait, de la corrélation non linéaire entre les directions et à cause du couplage avec l'attribution de puissance, le débit total qui représente notre fonction de coût à maximiser devient une fonction non convexe. Néanmoins, la théorie de l'information a démontré que la capacité de BC pourrait être atteinte par un codage DPC. Le problème avec ce précodage est d'une part est un précodage non linéaire et donc difficilement réalisable, et d'autre part, présente une grande complexité et consomme beaucoup de ressources. Afin de remédier à cela, des algorithmes linéaires sous-optimaux on été proposés. Elles peuvent être classées en solutions itératives et approchée (CF). Les techniques de conception de precodeurs peuvent également être différenciée en fonction du nombre de flux attribués par utilisateur. En fait, certains ne permettent qu'un seul flux par utilisateur même si le système ne soit pas entièrement chargé. On a récemment proposé des algorithmes multi-flux. Néanmoins, ils présentent quelques inconvénients : Certains doivent imposer à l'avance la distribution des flux et accentuent la sous optimalité. Mais le plus grand inconvénient reste celui des problèmes de convergence vers un maxima local ou parfois de divergence. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et à travers elle on essaye de proposer des solutions afin d'améliorer les algorithmes d'optimisation et de maximiser le débit total du système. Nous avons étudié et proposé des solution avec précodage itératif mais aussi en forme approchée. La thèse est essentiellement une collection de ce qui suit : * Précodage linéaire pour MU-MIMO BC avec flux unique par utilisateur. * Précodage linéaire pour MU-MIMO BC avec flux multiples et sélection d'utilisateurs.

Les systèmes de communication MU-MIMO connus en théorie de l’information par systèmes à canal de diffusion (BC) est devenu ces dernières années l’un des sujets les plus étudiés dans le domaine des communications sans fil. Cet important intérêt vient de l’énorme potentiel qu’il offre dans l’amélioration aussi bien de la fiabilité que la stabilité des systèmes ce qui lui a valu l’intégration dans les systèmes de nouvelle génération (LTE, WIFI…) Cependant, du fait, de la corrélation non linéaire entre les directions et à cause du couplage avec la distribution de puissance, le débit total représentant la fonction coût à maximiser devient non convexe. La théorie de l’information a démontré que la capacité du BC peut être atteinte par un codage DPC. Sauf que ce précodage est d’une part non linéaire et donc difficilement réalisable, et d’autre part, présente une grande complexité (consomme trop de ressources). Afin de remédier à cela, des algorithmes linéaires sous-optimaux ont été proposés. Elles peuvent être classées en solutions itératives et approchée (CF). Ces techniques peuvent également être différenciées en fonction du nombre de flux attribués par utilisateur. En fait, certains ne permettent qu’un seul flux par utilisateur même si le système ne soit pas entièrement chargé. On a récemment proposé des algorithmes multi-flux. Mais d’importants inconvénients persistent comme devoir préfixer la distribution des flux mais surtout les problèmes de convergence vers un maxima local et la divergence. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et à travers elle on essaye de proposer des solutions afin d’améliorer les algorithmes d’optimisation et maximiser le débit à moindre complexité
Investigated subjects in wireless communications. This important interest comes from the high potential it offers in improving reliability and throughput of the system and the problem starts to be considered in recent systems such as LTE, WiFi, …Actually, as there is a non linear correlation between directions and as, furthermore, the power allocation are coupled, the sum rate, i. E. The cost function to maximize, is a non convex function; Nevertheless, Information theory has shown that the capacity of BC could be achieved through dirty-paper coding 5DPC). Considering the complexity and resource consumption of DPC, some suboptimal linear algorithms have been proposed. Among them we can find the iterative and the closed form solutions. The practical, precoder design techniques can also be differentiated according to the number of streams allowed per user. In fact, some on them can only support at maximum one stream per user even if the system is not fully charged. Some multi-stream precoding solutions have lately been proposed. Nevertheless, they present some drawbacks as some impose the number of streams per user and does not perform a stream selection to optimize the system sum-rate (SR) and some convergence problems towards some local maximum are limiting the throughput. This thesis outlines our attempt to propose some optimization algorithms for linear precoding in multiuser MIMO downlink scheme. It is essentially a collection of the following: - Linear precoding with single stream - Linear precoding with multiple stream per user

La densification des réseaux allant de pair avec le déploiement de petites cellules, les systèmes Massive MIMO disposent de caractéristiques prometteuses pour accroître la capacité des réseaux au travers des techniques de formation de faisceau, appelées beamforming. Les transmissions aux longueurs d’onde millimétriques (mmWave) sont, quant à elle, très convoitées car, non seulement les bandes passantes exploitables sont extrêmement larges, mais le canal de propagation est principalement Line-of-Sight (LOS), ce qui correspond à la visibilité directe entre le terminal et la station de base. L’attrait que peut avoir un système multi-utilisateurs Massive MIMO à de telles fréquences provient, en partie, du faible encombrement du réseau d’antennes, mais aussi du fort gain de beamforming dont il permet de bénéficier afin de contrecarrer les fortes pertes en espace libre que subissent les signaux à de telles longueurs d’onde. Dans un premier temps nous montrons comment l’augmentation de la fréquence porteuse impacte les performances de deux précodeurs connus. Au travers d’une modélisation déterministe et géométrique du canal, on simule un scénario Outdoor à faible mobilité et à forte densité de population en mettant en avant l’influence du trajet direct et des trajets réfléchis sur les performances. Plus précisément on prouve qu’en configuration purement LOS, le précodeur Zero-Forcing est beaucoup plus sensible à la structure du réseau d’antennes, et à la position des utilisateurs, que le Conjugate Beamforming (aussi connu sous le nom de retournement temporel). On introduit alors un précodeur basé uniquement sur la position angulaire des utilisateurs dans la cellule en référence à la station de base, puis l’on compare ses performances à celles des deux autres. La robustesse d’une telle implémentation à une erreur d’estimation d’angles est illustrée pour un scénario spécifique afin de souligner la pertinence des solutions angulaires, une direction étant plus facile à estimer et son évolution dans le temps plus prévisible.On décrit dans un second temps comment la connaissance des positions angulaires des utilisateurs permet d’accroître la capacité de la cellule par le biais d’un procédé d’allocation de puissance reposant sur une évaluation de l’interférence que chaque faisceau génère sur les autres. On prouve à l’aide de simulations que l’obtention de cette interférence, même exprimée sous une forme très simplifiée, permet d’améliorer très nettement la capacité totale de la cellule. Enfin, nous introduisons les systèmes Hybrides Numériques et Analogiques ayant récemment été proposés afin de permettre à une station de base de conserver un large nombre d’antennes, nécessaire à l’obtention d’un fort gain de beamforming, tout en réduisant le nombre de chaînes Radiofréquences (RF). On commence par décrire une solution permettant à un terminal de former un faisceau dont la direction s’adapte à sa propre inclinaison, en temps réel, pour toujours viser la station de base. On compare ensuite les performances de tels récepteurs, associés à des stations de base Massive MIMO, avec celles d’une solution hybride connue, le nombre de chaînes RF des deux systèmes étant identiques. Principalement, la flexibilité et la capacité d’évolution de ces systèmes est mise en avant, ces deux atouts étant particulièrement pertinents pour de nombreux environnements à forte densité de population
As wireless communication networks are driven toward densification with small cell deployments, massive MIMO technology shows great promises to boost capacity through beamforming techniques. It is also well known that millimeter-Wave systems are going to be an important part of future dense network solutions because, not only do they offer high bandwidth, but channel is mostly Line-of-Sight (LOS). The attractiveness of using a multi-user Massive MIMO system at these frequencies comes partly from the reduced size of a many antenna base station, but also from the high beamforming gains they provide, which is highly suited to combat the high path losses experienced at such small wavelengths. First we show how raising the carrier frequency impacts the performance of some linear precoders widely used in Massive MIMO systems. By means of a geometrical deterministic channel model, we simulate a dense outdoor scenario and highlight the influence of the direct and multi-paths components. More importantly we prove that, in a Line-of-Sight (LOS) configuration, the discriminating skill of the well-known Zero Forcing precoder is much more sensitive to the antenna array structure and the user location than the Conjugate Beamforming precoder, also known as Time-Reversal. A precoder based on the knowledge of the angular position of all users is then introduced and compared to the other precoders based on channel response knowledge. Its robustness against angle estimation error is illustrated for a specific scenario and serves to back up the importance such a solution represents for future dense 5G networks, angular information being easier to estimate, and more so to keep track of.After that, we show how the knowledge of Directions of Arrival can be used to increase the sum capacity of a multi-user transmission through leakage based power allocation. This allocation uses an estimation of inter-user interference, referred to as Leakage, and we show through simulations how this factor, even under its most simplified form, improves realistic transmissions. Moreover this solution is not iterative and is extremely easy to implement which makes it particularly well suited for high deployment scenarios.Finally we introduce the Hybrid Analog and Digital Beamforming systems that have recently emerged to retain a high number of antennas without as many Radio Frequency (RF) chains, in order to keep high beamforming gains while lowering the complexity of conceiving many antenna base stations. We first describe a user equipment solution allowing the system to form a beam that adapts to its own movement so that it always focuses its energy toward the base station, using an on-board analog array and an Inertial Measurement Unit. Then we compare the performance of a known Hybrid solution with a fully digital Massive MIMO system, having as many RF chains as the Hybrid system, but serving user equipments with beamforming abilities. Mostly we emphasize how such a system allows for great flexibility and evolution, both traits being invaluable features in many future networks

Ces travaux de recherche adressent le problème de la conception de systèmes de communication capables d'offrir fiabilité et hautes efficacités spectrales avec un lien de retour (partiel) du récepteur vers l'émetteur. De plus hauts débits peuvent être offerts grâce à une connaissance à l'émission du canal de transmission (CSIT) permettant d'exploiter au mieux ses propriétés ; cependant seule la fiabilité de cette information garantit réellement d'atteindre les débits théoriques promis. L'objectif de la thèse consiste à étudier les incertitudes sur le canal de retour, et plus particulièrement la quantification des informations à remonter à l'émetteur ou les erreurs subies lors de la transmission sur la voie de retour. Pour plusieurs degrés de CSIT imparfait, de nouvelles structures d'émission et de réception adaptés à ces imperfections ont été proposées ainsi qu'une caractérisation des limites d'une transmission fiable. La perte d'efficacité spectrale lors de la prise en compte des schémas de modulation et codage (MCS) conduit à s'intéresser à la réduction du bruit de quantification dû aux entrées discrètes. L'attribution des MCS étant établie sur l'information mutuelle, il convient de caractériser les limites théoriques de la communication suite à la prise en compte des erreurs du CSI induites par l'estimation de canal imparfaite et à la quantification du CSI. En cherchant enfin à modéliser les événements d'erreurs survenant sur le lien de retour, un nouveau modèle de voie de retour bruitée est proposé. De plus en raffinant l'information par niveaux successifs (feedback multi-niveaux), le CSI à l'émission peut être utilisé au fur et à mesure de sa réception.

Dans les télécommunications, le débit-fiabilité et la complexité de l’encodage et du décodage (opération à virgule flottante-flops) sont largement reconnus comme représentant des facteurs limitant interdépendants. Pour cette raison, tout tentative de réduire la complexité peut venir au prix d’une dégradation substantielle du taux d’erreurs. Cette thèse traite de l’établissement d’un compromis limite fondamental entre la fiabilité et la complexité dans des systèmes de communications « outage »-limités à entrées et sorties multiples (MIMO), et ses scénarios point-à-point, utilisateurs multiple, bidirectionnels, et aidés de feedback. Nous explorons un large sous-ensemble de la famille des méthodes d’encodage linéaire Lattice, et nous considérons deux familles principales de décodeurs : les décodeurs à maximum de vraisemblance (ML) et les décodeurs Lattice. L‘analyse algorithmique est concentrée sur l’implémentation de ces décodeurs ayant comme limitation une recherche bornée, ce qui inclue une large famille de sphère-décodeurs. En particulier, le travail présenté fournit une analyse à haut rapport Signal-à-Bruit (SNR) de la complexité minimum (flops ou taille de puce électronique) qui permet d’atteindre a) une certaine performance vis-à-vis du compromis diversité-gain de multiplexage et b) une différence tendant vers zéro avec le non-interrompu (optimale) ML décodeur, ou une différence tendant vers zéro comparé à l’implémentation exacte du décodeur (régularisé) Lattice. L’exposant de complexité obtenu décrit la vitesse asymptotique d’accroissement de la complexité, qui est exponentielle en terme du nombre de bits encodés
In telecommunications, rate-reliability and encoding-decoding computational complexity (floating point operations - flops), are widely considered to be limiting and interrelated bottlenecks. For this reason, any attempt to significantly reduce complexity may be at the expense of a substantial degradation in error-performance. Establishing this intertwined relationship constitutes an important research topic of substantial practical interest. This dissertation deals with the question of establishing fundamental rate, reliability and complexity limits in general outage-limited multiple-input multiple-output (MIMO) communications, and its related point-to-point, multiuser, cooperative, two-directional, and feedback-aided scenarios. We explore a large subset of the family of linear lattice encoding methods, and we consider the two main families of decoders; maximum likelihood (ML) based and lattice-based decoding. Algorithmic analysis focuses on the efficient bounded-search implementations of these decoders, including a large family of sphere decoders. Specifically, the presented work provides high signal-to-noise (SNR) analysis of the minimum computational reserves (flops or chip size) that allow for a) a certain performance with respect to the diversity-multiplexing gain tradeoff (DMT) and for b) a vanishing gap to the uninterrupted (optimal) ML decoder or a vanishing gap to the exact implementation of (regularized) lattice decoding. The derived complexity exponent describes the asymptotic rate of exponential increase of complexity, exponential in the number of codeword bits

Les futurs systèmes de communication sans fil devront utiliser des architectures cellulaires hétérogènes composées de grandes cellules (macro) plus performantes et de petites cellules (femto, micro, ou pico) très denses, afin de soutenir la demande de débit en augmentation exponentielle au niveau de la couche physique. Ces structures provoquent un niveau d'interférence sans précèdent à l'intérieur, comme à l'extérieur des cellules, qui doit être atténué ou, idéalement, exploité afin d'améliorer l'efficacité spectrale globale du réseau. Des techniques comme le MIMO à grande échelle (dit massive MIMO), la coopération, etc., qui contribuent aussi à la gestion des interférences, vont encore augmenter la taille des grandes architectures hétérogènes, qui échappent ainsi à toute possibilité d'analyse théorique par des techniques statistiques traditionnelles.Par conséquent, dans cette thèse, nous allons appliquer et améliorer des résultats connus de la théorie des matrices aléatoires à grande échelle (RMT) afin d'analyser le problème d'interférence et de proposer de nouveaux systèmes de précodage qui s'appuient sur les résultats acquis par l'analyse du système à grande échelle. Nous allons d'abord proposer et analyser une nouvelle famille de précodeurs qui réduit la complexité de calcul de précodage pour les stations de base équipées d'un grand nombre d'antennes, tout en conservant la plupart des capacités d'atténuation d'interférence de l'approche classique et le caractère quasi-optimal du précodeur regularised zero forcing. Dans un deuxième temps, nous allons proposer une variation de la structure de précodage linéaire optimal (obtenue pour de nombreuses mesures de performance) qui permet de réduire le niveau d'interférence induit aux autres cellules. Ceci permet aux petites cellules d'atténuer efficacement les interférences induites et reçues au moyen d'une coopération minimale. Afin de faciliter l'utilisation de l'approche analytique RMT pour les futures générations de chercheurs, nous fournissons également un tutoriel exhaustif sur l'application pratique de la RMT pour les problèmes de communication en début du manuscrit
Future wireless communication systems will need to feature multi cellular heterogeneous architectures consisting of improved macro cells and very dense small cells, in order to support the exponentially rising demand for physical layer throughput. Such structures cause unprecedented levels of inter and intra cell interference, which needs to be mitigated or, ideally, exploited in order to improve overall spectral efficiency of the communication network. Techniques like massive multiple input multiple output (MIMO), cooperation, etc., that also help with interference management, will increase the size of the already large heterogeneous architectures to truly enormous networks, that defy theoretical analysis via traditional statistical methods.Accordingly, in this thesis we will apply and improve the already known framework of large random matrix theory (RMT) to analyse the interference problem and propose solutions centred around new precoding schemes, which rely on large system analysis based insights. First, we will propose and analyse a new family of precoding schemes that reduce the computational precoding complexity of base stations equipped with a large number of antennas, while maintaining most of the interference mitigation capabilities of conventional close-to-optimal regularized zero forcing. Second, we will propose an interference aware linear precoder, based on an intuitive trade-off and recent results on multi cell regularized zero forcing, that allows small cells to effectively mitigate induced interference with minimal cooperation. In order to facilitate utilization of the analytic RMT approach for future generations of interested researchers, we will also provide a comprehensive tutorial on the practical application of RMT in communication problems

Pour les prochaines générations de systèmes de communications sans fil, un défi majeur est de poursuivre l'augmentation de l' efficacité spectrale de ces systèmes pour satisfaire la montée croissante des demandes en débit, tout en revoyant à la baisse la consommation énergétique des équipements et répondre ainsi aux objectifs des ''communications vertes’’. L'une des stratégies permettant de traiter ce problème sont les communications multiantennes multi-utilisateurs (MU-MIMO), notamment lorsque le nombre d'antennes devient très grand (Massive MIMO). Il est alors possible d'adresser de multiples utilisateurs simultanément grâce à une opération linéaire de précodage spatial. Le but de cette thèse consiste à optimiser l’efficacité spectrale des systèmes MU-MIMO dans le cas d'un nombre d'antennes qui reste modéré, et une consommation énergétique faible. Nous avons donc étudié les techniques de précodage à haute efficacité énergétique basées sur la notion de filtre adapté au canal, tels que la technique MRT (maximum ratio transmission), EGT (equal gain transmission) et TR (time reversal). Notre travail s'est concentré sur l’analyse théorique des performances de ces techniques. Nous avons de plus introduit un nouveau schéma de transmission, nommé PFBO (partial frequency bandwidth overlay), visant à améliorer l’efficacité spectrale des systèmes MU-MIMO à faible nombre d'antennes et pour de faibles niveaux de rapports signal à bruit (SNR). Dans une première partie, nous avons étudié l'efficacité spectrale du schéma PFBO dans le cas de transmissions mono-porteuses et multi-porteuses. Les taux de recouvrement optimaux fournissant une capacité système maximale dans le cas de transmissions MISO et MIMO à deux utilisateurs ont été identifiés. Puis l'étude a été étendue aux cas MU-MIMO avec un nombre arbitraire d'utilisateurs. Nous avons modélisé précisément le comportement du canal équivalent après précodage, en utilisant respectivement les techniques EGT, TR et MRT. De nouvelles bornes de capacité non disponibles dans la littérature ont alors été obtenues et ont montré une précision satisfaisante. Dans la deuxième partie, le taux d'erreur binaire pour le schéma PFBO a été étudié sur canal plat et canal de Rayleigh. Les expressions du taux d'erreurs binaires ont été obtenues. En particulier, nous avons proposé un modèle statistique pour rendre compte du comportement du canal après précodage ainsi que de l'interférence inter-utilisateur. Une première proposition de modèle a été introduite pour les systèmes EGTMIMO à deux utilisateurs utilisant une modulation BPSK. Ce modèle a été également validé dans le cas d'une modulation QPSK ou pour de multiples utilisateurs. Dans la dernière partie, nous avons combiné le principe du schéma PFBO aux systèmes OFDM à spectre étalé (SSOFDM). Nous avons analysé les performances théoriques de ce système sur canal plat et canal de Rayleigh. Les expressions de taux d'erreurs binaires ont été établies et validées par simulations. Nous avons alors pu montrer que la composante SS permettait d'améliorer les performances du schéma PFBO lorsque le taux de recouvrement restait modéré
For the next generations of wireless communication systems, getting higher spectral efficiencies is remaining a big challenge to answer the explosively increasing demand of throughput. Meanwhile, the energy consumption of equipments and the transmitting power density have to be reduced to achieve the objective of ‘’green communications’’. One of the most promising strategies to deal with such issues is using multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) schemes, namely for large-scale antenna systems. It becomes then possible to simultaneously serve multiple simple device users using linear spatial precoding techniques. The objective of this thesis is to optimize the spectral efficiency of MU-MIMO systems in the context of moderate-scale antenna arrays and low energy consumption. Hence, we studied different high-energy efficiency precoding techniques based on matched filtering approach, such as maximum ratio transmission (MRT), equal gain transmission (EGT) and time reversal (TR). We were interested in the theoretical performance analysis of these techniques. In addition, we introduced a scheme based on partial frequency bandwidth overlay (PFBO) to improve and adapt the spectral efficiency of a MU-MIMO system at low signal to noise ratio (SNR) regime. In a first part, we studied the spectral efficiency of the proposed PFBO scheme with both single-carrier and multi-carrier modulations. We identified the optimal bandwidth overlap ratios that provide the maximum achievable rate for two-user SIMO and MIMO systems. Then the study was extended to a more general MU-MIMO case with an arbitrary number of users. We precisely modeled the channel behavior after precoding when using EGT, TR and MRT techniques. New closed-form capacity lower bounds not available in the literature were then obtained and shown to be satisfactory accurate. In the second part, the bit error rate (BER) performance of PFBO scheme was studied for both flat fading channels and theoretical Rayleigh channels. Closed-form BER equations were obtained. Particularly, we proposed a statistical model to reflect the behavior of the non-flat fading channel after precoding and to take into account the correlated interference terms that occur in a two-user EGT-MIMO system using BPSK modulation. This model was also validated in case of QPSK modulation and with more users. In the last part, we proposed to combine our PFBO principle with spread-spectrum OFDM techniques (SS-OFDM). We analyzed the theoretical BER performance of such a scheme using flat fading channels and theoretical Rayleigh channels. New closed-form BER approximation equations were then established and compared through simulations. Eventually, we showed that the SS component of the proposed system provides performance gains that depend on the overlap ratio used in the PFBO scheme

La demande croissante en services pour les radiocommunications mobiles de plus en plus performants, et donc gourmands en terme de bande passante, pousse les concepteurs à chercher des systèmes de transmissions avec de fortes efficacités spectrales et pourvus de codes correcteurs d'erreurs puissants. L'utilisation (i) des techniques de transmission multi porteuses combinées avec des turbo-codes ou des codes LDPC, et (ii) des techniques de diversité apportent une réponse prometteuse à cette course vers la recherche d'une utilisation optimale de la capacité du canal. Nous nous plaçons dans le cadre de ce travail de recherche dans le contexte de l'utilisation de codes LDPC (Low Density Parity Check Code). Ces codes initialement étudiés par Gallager au début des années soixante et récemment approfondis par Mackay constituent une alternative aux turbo-codes proposés initialement par Berrou et Glavieux. De plus, le contexte des systèmes MIMO est abordé, incluant différents schémas de diversité spatiale temporelle et fréquentielle. Nous avons traité le problème de la diversité spatio-temporelle à l'aide des codes spatio-temporels en blocs (codage STBC : Space Time Block Code). Nous avons généralisé leur utilisation au cas de la diversité fréquentielle (codage SFBC : Space Frequency Block Code) pour la modulation OFDM et nous avons proposé une méthode pour combiner à la fois la diversité spatiale et la diversité fréquentielle Puis, nous avons présenté, une structure de turbo-égaliseur basé sur les travaux antérieurs de Lu, utilisant le codage LDPC. La pondération des symboles codés à l'entrée du décodeur LDPC se fait à l'aide de l'algorithme EM (Expectation-Maximization) ou d'une variante plus élaborée qui est appelée SAGE (Space Alternating Generalized Expectation Maximization). Par la suite, nous avons suggéré une nouvelle méthode d'estimation des paramètres du canal de propagation elle-même basée sur l'algorithme EM. Enfin le contexte multi utilisateurs est également traité. Nous étudions les performances d'un système MC-DS-CDMA quasi-synchrone équipé d'un code LDPC avec la diversité espace - temps et espace - fréquence. Deux types de systèmes multi utilisateurs avec diversité spatio-temporelle ayant les mêmes performances qu'en mono utilisateur ont été proposés. Finalement, nous avons présenté un système hybride original très haut débit par le mélange du système élaboré MC-DS-CDMA et le système Combined Array Processing proposé à l'origine par Calderbank
We are continuously looking for high-speed mobile system using at it best all the allocated and available radio resources. In order to increase the communication reliability and quantity, the error correcting codes such as LDPC and turbo detection are often used together with diversity techniques. In this thesis, four major points have been investigated. The first point relates to the transmitter created space, time and frequency diversity techniques. Diversity methods namely STBC, SFBC and STFBC were studied here. A novel matrix representation for SFBC and STFBC have been elaborated and presented. The second point focus on the turbo equalizer for space-time diversity systems. Our studies were based on the structure proposed by Lu. LDPC code and EM algorithm were the basic blocs of the turbo receiver. Some modifications have been made to the basic receiver structure especially on the initialization method in order to increase the systems performances. The SAGE algorithm was applied to speed up the overall convergence rate of the system. The third point was the uplink quasi synchronous multiple user detection in MIMO systems. We proposed two multiple user systems with an equivalent performances as single user system when some conditions were fulfilled. We have also elaborated in our proposed system that the potential very high rate system mixing and the Combined Array Processing techniques as proposed by Calder bank. Finally, in the fourth point, we presented using computer simulations proven that, in some cases, an additional symbol interleaver is required for multiple carrier space diversity system to concatenate with LDPC codes over frequency selective channels. It is well known that the LDPC codes have an intrinsic interleaver. However, the computer simulations showed that the intrinsic interleaver might be insufficient in this configuration

Le système OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) utilise plusieurs sous-porteuses pour transmettre de l'information. Comparé à un schéma mono-porteuse, la modulation multi-porteuses OFDM permet d'obtenir facilement des réglages optimaux (au sens de la capacité de Shannon) pour une transmission à haut débit sur un canal sélectif en fréquence. En ce sens, on peut alors garantir une transmission fiable et une meilleure gestion de l'énergie utilisée. Lors de la transmission avec une modulation OFDM, les sous-porteuses utilisent des canaux différents qui n'ont pas forcement la même atténuation. Allouer le même niveau de puissance à chaque sous-porteuse ne garantit pas une capacité optimale dans une liaison point à point. Une allocation dynamique de la puissance (c'est-à-dire attribuer différents niveaux de puissance aux sous-porteuses en fonction du canal) donne de meilleures performances. Par contre, dans une situation de diffusion (broadcast), l'émetteur ne connaît pas les canaux vers tous les utilisateurs, et la meilleure stratégie consiste à émettre avec la même puissance sur toutes les sous-porteuses. Cette thèse a pour objectif d'explorer les situations intermédiaires, et de proposer les outils d'allocation de puissance appropriés. Cette situation intermédiaire est appelée " multicast ", ou " multidiffusion " : l'émetteur envoie les signaux vers un nombre fini (pas trop grand) d'utilisateurs, dont il connaît les paramètres de canaux, et il peut adapter son émission à cette connaissance des canaux. On est donc dans une situation intermédiaire entre le " point à point " et la " diffusion ". L'objectif final de ce travail est d'évaluer le gain apporté par la connaissance des canaux en situation de multicast par rapport à la même communication effectuée comme si on était en diffusion. Bien évidemment, quand le nombre de destinataires est très grand, les gains seront négligeables, car le signal rencontre un nombre très élevé de canaux, et une allocation de puissance uniforme sera quasi optimale. Quand le nombre est très faible, on sera proche du point à point et les gains devraient être sensibles. Nous proposons des outils pour quantifier ces améliorations dans les cas de systèmes ayant une antenne à l'émission et une antenne à la réception, dit SISO (Single Input Single Output) et de systèmes avec plusieurs antennes, dits MIMO (Multiple Input Multiple Output). Les étapes nécessaires pour réaliser ce travail sont : 1) En supposant une connaissance préalable de l'état des canaux (entre station de base et terminaux), mettre en œuvre les outils de la théorie de l'information pour effectuer l'allocation de puissance et évaluer les capacités des systèmes étudiés. 2) Pour le système multi-utilisateur SISO-OFDM, nous proposons un algorithme d'allocation de puissance sur chaque sous porteuse dans une situation de multicast. 3) Pour le système multi-utilisateur MIMO-OFDM, nous proposons un algorithme qui exploite les caractéristiques du précodage "zero forcing". L'objectif est alors de partager la puissance disponible entre toutes les sous-porteuses et toutes les antennes. 4) Enfin, dans une dernière étape nous nous intéressons à une conception efficace de la situation de diffusion, afin de déterminer à l'aide d'outils de géométrie stochastique quelle zone peut être couverte afin qu'un pourcentage donné d'utilisateurs reçoivent une quantité d'information déterminée à l'avance. Ceci permet de déterminer la zone de couverture sans mettre en œuvre des simulations intensives. La combinaison de ces outils permet un choix efficace des situations qui relèvent de la " diffusion ", du " multicast " et du " point à point ".

Dans la recherche de modulations adaptées à la voie descendante des réseaux cellulaires 4G, i.e. permettant le transfert de données à haut débit tout en garantissant une grande mobilité aux utilisateurs, les systèmes MC-CDMA s'affirment aujourd'hui comme des solutions à fort potentiel. Ces techniques reposent sur la combinaison des modulations à porteuses multiples et l'étalement de spectre qui permet l'accès multiple par répartition de code. En parallèle, les sytèmes MIMO constituent une nouvelle voie très prometteuse améliorant notablement l'efficacité spectrale des systèmes hertziens via la dimension spatiale. Cette thèse porte sur l'optimisation des systèmes MIMO/MC-CDMA par l'étude des codes temps-espace en blocs (STBC)ou en treillis (STTC).

Après un état de l'art relativement exhaustif des systèmes MIMO en général et des codes temps-espace en particulier, nous proposons de nouveaux codes STBC orthogonaux, puis une représentation polynômiale permettant la comparaison des codes STTC existants. La combinaison STBC/MC-CDMA étudiée ensuite améliore sensiblement les performances d'un système MC-CDMA SISO tout en autorisant un décodage relativement simple. Leur optimisation repose sur des techniques de détection mono-utilisateurs ou multi-utilisateurs. Leur performances sont évaluées dans des configurations MISO ou MIMO, aussi bien sur des canaux théoriques que sur des canaux réalistes. Enfin, la combinaison STTC/MC-CDMA est étudiée.

Cette thèse s'intéresse aux stratégies de transmission de contenu multimédia des réseaux sans fil. L'intérêt d'une stratégie repose sur sa capacité à gérer les ressources selon les objectifs des applications visées. On propose ainsi un schéma de transmission, qui garantit la qualité de service (QdS), quelles que soient les conditions du canal et suivant les spécificités du contenu multimédia. On exploite pour cela les diversités (spatiales, fréquentielles, etc.) du canal radio. A ce titre, l'association MIMO-OFDM apparaît comme une solution idéale pour accroitre les performances du système. On propose ainsi un système MIMO-OFDMA, qui intègre des stratégies inter-couches. Celles-ci se basent sur des techniques d'adaptation de lien pour régler dynamiquement les paramètres du système. On développe en premier un schéma inter-couches PHY 1 APPL, associé à un système MIMO-OFDM mono-utilisateur, qui transmet une vidéo H.264/SVC. L'adaptation de lien permet de définir le jeu de paramètres optimaux, qui minimise la distorsion de la vidéo reçue. On introduit ainsi une politique d'optimisation sous contraintes de puissance et de taux d'erreurs binaires. Pour tenir compte d'aspects de transmission réalistes, on propose un schéma inter-couches PHY/MAC, dédié à un système MIMO-OFDMA, multi-utilisateurs et multi-services. Ce dernier associe un algorithme d'ordonnancement, au paramétrage optimal, pour fournir au maximum d'utilisateurs des débits utiles respectant les exigences des services demandés. Enfin, on combine les deux premières solutions pour définir les paramètres optimaux minimisant la distorsion de la vidéo reçue par utilisateur, tout en garantissant la QdS des autres services
This thesis focuses on the transmission strategies of the multimedia content in wireless networks. The advantage of a such strategy is its ability to manage the resources, according to the objectives of the targeted applications. We propose a transmission scheme, which guarantees the quality of service (QoS), depending on the channel state information and on the multimedia content specifications. We take advantage of the radio channel diversities (spatial, frequency, etc.). ln fact, the association of MIMO and OFDM techniques appears as effective solution to increase the system performance. For this reason, we propose a MIMO-OFDMA system, which considers cross-layer srtategies based on link adaptation schemes to dynamically adjust the system parameters. Firstly, we develop a PHY/APPL cross-layer strategy, dedicated to a single user of a MIMO-OFDMA system, which transmits an H.264/SVC video. The Iink adaptation scheme allows to define the optimum parameters, which minimize the end-ta-end video distortion by using an optimization algorithm under power and bit error rate constraints. To consider the realistic transmission aspects, we propose a PHY/MAC cross-layer strategy, dedicated to a multi-user, multi-service, MIMOOFDMA system. This scheme combines a scheduling policy with optimal parameterization to provide a satisfied troughput to a maximum number of users, acheiving the required services. Finally, the first two solutions are combined to determine the optimal parameters which minimize the end-ta-end distortion of the received video by user, and also acheive QoS requirements of the other services

Les réseaux radio actuelles utilisent le spectre inefficacement, car une bande de fréquence est allouée de façon permanente à une technologie spécifique. Vu que le spectre est une ressource limitée, cette attribution statique ne pourra bientôt plus combler les besoins des systèmes de transmission qui ne cessent de croître. On peut toutefois optimiser l'utilisation du spectre en permettant des transmissions secondaires (SU) dans les espaces libres du primaire (PU). Cette vision constitue l'objectif principal de la radio cognitive. Nous proposons d'évaluer les stratégies de transmission pour la coexistence des systèmes primaires (PU) et SU dans les mêmes réseaux. Plus concrètement, nous nous focalisons sur un scénario spatial interweave en émettant les signaux SU dans les espaces vides du PU à l'aide d'un précodeur linéaire. Néanmoins, ce précodage nécessite une connaissance a priori des canaux interférents. L'échange d'informations entre le PU et le SU étant proscrit, nous exploitons l'hypothèse de la réciprocité du canal. Cette hypothèse compense l'absence de coopération, mais elle n'est pas si évidente à exploiter en pratique à cause des perturbations des circuits radio fréquence. Nous suggérons de compenser ces perturbations par des méthodes de calibration relative. Nous proposons ensuite une implémentation temps-réel des solutions sur une plateforme LTE. Pour finir, nous généralisons l'approche RC à un système de transmission multi-utilisateurs, à travers une combinaison des techniques RC et massive MIMO, cette approche constitue s'établit comme une solution à la progression exponentielle du trafic.