Littérature scientifique sur le sujet « Systèmes à entrées et sorties multiples MIMO »

Ce travail porte sur l'étude des systèmes MIMO (multiple-input multiple-output) codés et plus particulièrement les méthodes d'égalisation et de décodage adaptées à ces systèmes. Nous optons à l'émission pour un système utilisant le multiplexage spatial via la structure BICM (Bit Interleaved Coded Modulation). La présence des entrelaceurs rend la réception optimale (égalisation et décodage conjoints) trop complexe. Afin de réaliser un bon compromis complexité/performance, nous proposons d'utiliser une structure de réception itérative. Dans le cas où le canal est sélectif en fréquence, l'égaliseur doit effectuer une égalisation temporelle en plus de l'égalisation spatiale. L'égaliseur optimal est généralement trop complexe dans ce cas. Ainsi, nous proposons pour réaliser un bon compromis complexité/performance d'utiliser l'égaliseur Liste-MAP qui est une version sous-optimale de l'égaliseur MAP basée sur la réduction des états du treillis et le traitement par survivants (PSP : Per Survivor Processing). Afin de lutter contre la propagation d'erreur, nous proposons d'utiliser un filtre adapté blanchissant qui permet de concentrer l'énergie du canal sur ses premiers coefficients. Enfin, nous nous intéressons au problème de l'estimation du canal dans le cas du canal sélectif en fréquence. Nous montrons que les erreurs d'estimation du canal sont équivalentes à une perte en rapport signal à bruit et nous donnons une approximation de cette perte. Puis, nous proposons pour améliorer la première estimation du canal, effectuée en utilisant les séquences d'apprentissage, d'utiliser l'algorithme EM (Expectation Maximisation) en l'intégrant dans notre récepteur itératif. Cette étude est ensuite étendue au cas des systèmes CDMA
In this work, we studied coded MIMO (multiple-input multiple-output) systems, in particular equalization and decoding methods. We choose to use at the transmitter a system based on spatial multiplexing using BICM (Bit Interleaved Coded Modulation) structure. Because of the presence of interleavers, the optimal receiver, based on joint equalization and decoding, is too complex. In order to achieve a good complexity/performance trade-off, we propose to use an iterative receiver. When the channel is frequency selective, the equalizer has to perform time equalization in addition to spatial one. The optimal equalizer is too complex in this case. In order to achieve a good complexity/performance trade-off, we consider a List-type MAP equalizer which is a sub optimal version of the MAP equalizer based on state reduction and Per Survivor Processing (PSP). In order to fight against error propagation, we propose to use a Whitened Matched Filter which concentrates the channel energy on its first taps. In the last part, we study channel estimation when the MIMO channel is frequency selective. First, we show that channel estimation errors are equivalent to a loss in signal to noise ratio and we provide an approximation of this loss. Then, in order to improve the first channel estimation performed using training sequences, we propose to integrate the EM (Expectation Maximisation) algorithm in our iterative receiver. This study is then extended to CDMA systems

Pour répondre aux demandes de haut débit exigées par les communications mobiles de dernières générations, une solution consiste à augmenter le nombre d'antennes à l'émission et à la réception de la liaison sans fil. On parle alors de technique MIMO (Multiple Input, Multiple Output). De même, pour réduire les évanouissements des signaux provoqués par l'environnement de propagation multi-trajets, la technique de diversité qui consiste à placer une antenne à l'émission et plusieurs antennes à la réception peut être utilisée. Cependant, l'intégration de plusieurs antennes sur le plan de masse d'un même téléphone portable est un challenge délicat. En effet, à cause du volume restreint de l'appareil, une forte isolation entre antennes doit être atteinte afin de maximiser le gain de diversité et/ou d'accroître la capacité de transmission du système global. Le travail de cette thèse a consisté à montrer qu'il était possible à l'aide d'un effet de neutralisation, d'intégrer deux résonateurs quart d'onde étroitement proches sur un PCB, tout en les maintenant fortement isolés du point de vue électromagnétique et présenter ainsi des efficacités totales très satisfaisantes. Ces résultats étaient cependant obtenus pour deux antennes PIFAs n'opérant pas dans la même bande de fréquence (DCS et UMTS). Ce travail a ensuite été étendu avec la mise en œuvre de la technique de neutralisation pour des systèmes multi-antennes opérant dans la même bande de fréquence UMTS. Plusieurs structures sont réalisées. Leurs performances en diversité et en MIMO sont mesurées dans une chambre réverbérante à Göteborg et dans un environnement réel à Helsinki
The high data rates required in modern communication can be achieved by multiplying the radiating element involved in the broadcast and in the reception of the wireless link. This solution is called MIMO (Multiple Input and Multiple Output). Also, to reduce the deep fading caused by the multi-path propagating environment, the diversity technique which consists to place one antenna in the broadcast and several antennas in the reception can be used. However, the integration of several efficient antennas on the printed circuit board (PCB) of a mobile phone is a new challenge for antenna researchers. The main goal remains to keep a high isolation between these radiators, otherwise, the diversity gain and the channel capacity of the system can drastically be reduced. The aim of this thesis is to demonstrate the possibility to integrate two closely spaced quarter-wavelength resonators on a small PCB, with high isolation and high total efficiencies when using a neutralization effect between the radiators. However, these two Planar Inverted-F Antennas (PIFAS) were not operating in the same frequency band (DCS and UMTS). This work has been further extended with the successful implementation of this technique to a multi-antennas system operating in the same UMTS band. Several multi-antenna handsets have been designed. Their performance in diversity and MIMO are measured in a reverberation chamber to Göteborg, and in a indoor and outdoor environments to Helsinki

Les systèmes multi-antennes (Multiple-Input Multiple-Output: MIMO) représentent une technologie clé pour le déploiement de systèmes de communication sans fil. Cependant, la complexité des détecteurs MIMO de haut débit pose un problème sérieux de mise en oeuvre. Parmi les détecteurs MIMO existants, l’algorithme nommé détecteur à sphère (Sphere Decoder Algorithm: SDA) a vu le jour pour réduire la complexité de traitement par rapport à la technique de détection originale basée sur le maximum de vraisemblance (ML). En outre, il a été démontré que SDA atteint des performances optimales pour les systèmes non codés. Toutefois, pour les systèmes codés, d’autres simplifications dans l’algorithme de détection peuvent être utilisées sans altérer les performances en taux d’erreur. Dans ce contexte, le SDA peut être modifié afin de prévoir une détection basée sur des informations pondérées. LSD (List-Sphere Decoder) a été introduit comme une version à entrées/sorties pondérées de la version SDA originale. Ce travail de thèse traite les aspects algorithmique, architectural et de mise en oeuvre de la détection MIMO basée sur SDA et LSD. Le principal objectif est de proposer des solutions de mise en oeuvre de faible complexité, tout en considérant les exigences des systèmes de communication numérique en termes de débit, de flexibilité et de taux d’erreurs. En particulier, la première contribution est représentée par une amélioration de SDA, ce qui permet une augmentation significative du débit avec une complexité supplémentaire très limitée et sans dégradation en termes de performance en taux derreurs binaires. La méthode de détection proposée, appelée LASDA (Look-Ahead SDA), est basée sur des transformations formelles, à savoir Look-Ahead, recalage et pipeline et sur une stratégie modifiée de recherche arborescente. Une conception efficace de type VLSI du détecteur LASDA supportant un system MIMO 4x4 avec une modulation MAQ-16 est proposée. La deuxième contribution concerne une étude détaillée sur la flexibilité et la convergence de la détection itérative. Deux détecteurs à entrées/sorties pondérées (Soft-Input Soft-Output: SISO) sont considérés: LSD et un filtrage linéaire de faible complexité (Linear Minimum-Mean-Square-Error-Interference-Canceller (MMSE-IC)). Des diagrammes de transfert d’information mutuelle (EXIT charts) sont développés. Cette analyse est orientée pour obtenir les compromis possibles entre complexité et performance pour une implémentation matérielle flexible. La dernière contribution est liée à la conception d’un processeur à jeu d’instructions dédié à l’application (Application-Specific Instruction-set Processor (ASIP)) pour un détecteur SISO LSD. L’ASIP proposé supporte différentes configurations MIMO (2x2, 3x3, 4x4) et différents ordres de modulation (QPSK, MAQ-16, MAQ-64) en plus d’une taille de liste flexible (1 à 64 éléments)
Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems are recognized as a key enabling technology in high performance wireless communications. However the complexity of high throughput MIMO detectors poses a serious implementation issue. Among known MIMO detectors, Sphere Decoder Algorithm (SDA) has emerged to reduce the processing complexity, with respect to the original Maximum Likelihood (ML) detection. Moreover, it has been demonstrated that the SDA achieves optimal performance for uncoded systems. However, for coded systems, further simplifications in the detection algorithm can be used without altering the error rate performance if iterative detection and channel decoding is adopted in the receiver. Such an iterative processing with a channel decoder offers significant improvement in error-rate performance for a reduced signal-to-noise ratio. In this context, the SDA can be further simplified and modified in order to provide soft detection: “List Sphere Decoder” (LSD) has been introduced as a soft version of the original SDA. This research thesis focuses on algorithmic, architectural and implementation aspects of the “ Sphere Decoder Algorithm” and the “List Sphere Decoder”. The main objective of the conducted work is to propose area-efficient implementation solutions while considering throughput, flexibility, and error rate performance requirements of advanced digital communication systems. In particular, the first contribution is represented by an improved SDA, which enables significant throughput increase at a very limited additional complexity and with no degradation in terms of Bit Error Rate performance. The proposed detection method, called LASDA (Look–Ahead SDA) is based on formal algorithm transformations, namely look–ahead, retiming and pipelining, besides a modified tree search strategy. An efficient VLSI design of LASDA detector supporting a 4x4 MIMO channel with 16QAM modulation is proposed. Synthesis results for a 130 nm technology are detailed. The second contribution concerns a detailed study on flexibility and convergence of iterative detection and channel decoding. In this regard, two Soft-Input Soft-Output detectors are considered: List Sphere Decoding and a low complexity linear filtering (Linear Minimum-Mean-Square-Error-Interference-Canceller (MMSE-IC)). Extrinsic Information Transfer (EXIT) charts are developed. This analysis is oriented to obtain possible performance-complexity trade-offs for a flexible hardware implementation. The last contribution is related to the proposal and design of an Application-Specific-Instruction set-Processor (ASIP) for SISO List Sphere Decoding. The proposed ASIP supports different MIMO system configurations (2x2, 3x3, 4x4) and modulation orders (QPSK, 16QAM, 64QAM) besides a flexible list size (from 1 to 64 elements). Synthesis results for a 130 nm technology are detailed

Dans cette thèse, nous avons abordé différents aspects de l’utilisation d’informations sur le milieu de propagation, dans un contexte MIMO, afin d’optimiser l’émetteur et le(s) récepteur(s). En effet, la situation idéale dans laquelle le canal serait connu parfaitement et instantanément de l’émetteur, et les stratégies mises en oeuvre définies de façon immédiate, est une hypothèse extrêmement forte qui conduit à la recherche de méthodes utilisant des éléments dont l’évaluation serait plus simple et/ou plus robuste, et sur des durées abordables. Nous avons ici précisément cherché à décrire ou à donner des stratégies utilisant différents a priori du canal. Tout d’abord, nous avons établi une stratégie permettant d’atteindre la capacité de canaux de type Rice corrélés et séparables (chapitre 1). Pour cela, nous avons établi préalablement une expression déterministe de l’information mutuelle de tels canaux, prenant en compte certaines statistiques du milieu, puis nous l’avons maximisée par rapport à la covariance des entrées. C’est donc une stratégie d’émission. Cela a également été l’occasion d’utiliser certains outils mathématiques de la théorie des grandes matrices aléatoires, qui donne ici une belle démonstration de ses possibilités, en répondant à un problème d’une grande complexité théorique. Ensuite, nous avons évalué l’impact d’une implantation pratique de certaines stratégies pratiques d’émission dans le cadre de systèmes broadcast, afin tout d’abord de dégager certains critères de choix de codeurs par rapport à une utilisation in situ, puis pour déterminer si l’utilisation de telles stratégies à l’émetteur était suffisamment robuste aux erreurs d’estimation, ou s’il n’était pas plus pertinent d’utiliser le TDMA (chapitre 2). La stratégie broadcast, souvent considérée comme très sensible au canal et à ses erreurs, se révèle relativement robuste et efficace pour une implantation réaliste, voire même plus que la solution TDMA, même si cette dernière solution ne nécessite qu’une information minime sur le canal (le SINR de chaque récepteur). Enfin, on a également étudié pour le cas pratique de l’interférence canal adjacent, dont on a démontré l’influence notable pour l’UMTS, comment certains paramètres du canal pouvaient aider à la décision d’une stratégie de réception pertinente (chapitre 3). La simple donnée de la distance entre le mobile et la station de base interférente permet de choisir entre différentes solutions en réception pour mieux combattre l’ACI, dont quelques unes que nous avons proposées. Cette décision peut d’ailleurs être prise par l’émetteur si celui-ci possède la donnée de cette distance. Nous voyons ici comment une information simple sur le canal peut être utilisée par un récepteur pour gérer l’évolution du canal et la qualité de son lien. Il est intéressant de privilégier les stratégies d’émission en ce sens que les moyens disponibles à la station de base étant souvent plus élevés, on peut en rapportant à l’émetteur un certain nombre de traitements - et donc une certaine complexité - solliciter moins le récepteur en calculs. Ce dernier peut consacrer alors plus de ressources à d’autres tâches, ou tout simplement augmenter son autonomie, qui est rappelons-le une des principales limitations des récepteurs envisagés les systèmes de nouvelles générations. Les solutions développées dans nos travaux vont donc en ce sens, et contribuent à montrer que, même pour des approches et des problématiques assez dissemblables, l’exploitation d’informations partielles sur le canal est une solution qui permet d’espérer de façon générale une amélioration significative des performances des systèmes MIMO

Les systèmes de communication multi-antennaires à l'émission et à la réception (MIMO) sans fil ont le potentiel d'offrir hauts débits et fiabilité. La faisabilité de cette technologie dans des systèmes de communication mobiles dépend de la capacité à offrir des débits élevés avec une quantité réduite de connaissance du canal a l'émetteur (CSIT), car la disponibilité des ressources sur la voie de retour est limitée. Cette thèse traite du problème de l'optimisation des systèmes MIMO avec CSIT partielle. D'une part, nous fournissons des méthodes pour obtenir CSIT. D'autre part, nous proposons des techniques pour exploiter les sources de CSIT afin d'optimiser la performance. Dans la première partie, systèmes MIMO mono-utilisateur sont considérés dans le but de minimiser le taux d'erreur. Techniques de précodage linéaire sont proposées pour améliorer les systèmes MIMO avec codage spatio temporel (STC), en combinant des informations sur la moyenne et la covariance du canal. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la maximisation de la somme totale des débits sur la voie descendante des systèmes MIMO multi-utilisateur, avec débit limité sur la voie de retour. Nous proposons des algorithmes inter-couche pour les systèmes avec précodage linéaire et sélection d'utilisateurs, optimisant les parties suivantes: techniques de précodage linéaire, algorithmes de sélection d'utilisateurs, informations à transmettre sur la voie de retour et stratégies de quantification. Au lieu de concevoir des systèmes complexes de feedback, nous montrons que la performance peut être améliorée en utilisant précodage linéaire optimisé et stratégies simples de quantification du canal
Multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication systems have the potential to offer high data rates as well as link reliability. The feasibility of these systems in future mobile communication standards depends on the ability to provide high rates with a reduced amount of channel state information at the transmitter (CSIT), due to limited resource availability on the feedback link. This thesis addresses the problem of optimizing MIMO systems with partial CSIT. On the one hand, we provide methods for obtaining CSIT. On the other hand, we propose techniques to exploit the available sources of CSIT to optimize the system performance. In the first part, point-to-point MIMO channels are considered for the purpose of error rate minimization. Linear precoding techniques are proposed to enhance the performance of space-time coded (STC) MIMO systems, by appropriately combining information on the channel mean and covariance. In the second part of this thesis, we focus on sum-rate performance optimization in MIMO broadcast channels with limited feedback. Low-complexity cross-layer approaches are proposed for systems with joint linear beamforming and multiuser scheduling, optimizing the following parts in the MIMO communications system: linear beamforming techniques, scheduling algorithms, feedback strategies and feedback quantization techniques. A design framework for channel quality information (CQI) feedback design is proposed, based on an estimate on each user's signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR). As we show, the system performance can be enhanced by using simple channel quantization strategies combined with optimized linear beamforming techniques

Les systèmes multi-antennaires (MIMO multiple- input multiple-output) suscitent un grand intérêt aurprès des concepteurs des futurs systèmes sans fil. En effet, ces systèmes ont été développés afin d'augmenter le débit théorique et/ou la robustesse des chaînes classiques mono-antenne en tirant parti de la diversité spatiale. Le cadre de cette thèse se situe autour des systèmes MIMO pré-égalisés ayant la connaissance du canal au niveau de l'émetteur par un retour d'information. Nous avons exprimé littéralement les probabilités d'erreur binaire (PEB) moyennes dans un canal de Rayleigh non-corrélé pour les systèmes pré-égalisés WF (WF maximisation de la capacité), EQMM (minimisation de l'erreur quadratique moyenne), qdS (qualité de service entre les voies de données), EE (erreur égale entre les voies) et max-SNR (maximisation du rapport signal sur bruit en réception). Les courbes de PEB ainsi obtenues, nous ont permis de dégager des caractéristiques importantes influant sur l'amélioration des performances : le nombre total d'antennes, la répartition des antennes entre l'émetteur et le récepteur, le choix du précodeur avec ses paramètres. Une collaboration avec le laboratoire SIC de Poitiers nous a donné la possibilité de mener une étude statistique sur des canaux "réalistes" fournis par leur simulateur de propagation 3D. Ainsi, nous avons pu tester la robustesse des précodeurs pour une configuration indoor dans la bande de fréquence de l'HIPERLAN/2 et comparer les résultats au canal de Rayleigh
The MIMO (multiple-input multiple-output) systems are a great interest for the next generation of wireless systems. Indeed, these systems have been developed to increase the theoretical capacity and/or robustness of the traditional systems (mono-antenna) by using space diversity. The framework of this thesis focused around pre-equalized MIMO systems having the channel state information at the transmitter side by information feedback. We expresssed literally the average bit error probabilities (BEP) in the decorrelated Rayleigh channel case for pre-equalized systems WF (WF : capacity maximization), MMSE (minimization of the mean square error), QoS(quality of service between channels), EE (equal error between channels) and max-SNR ( maximization of the signal-to-noise ratio at the receiver side). The resulting BEP curves highlighted that performance improvement is influenced by the total number of antennas, the distribution of the antennas between the transmitter and the receiver, the choice of the parameters of the precoder to be used. A collaboration with the SIC laboratory of Poitiers (France) enabled us of study statistically "realistic" channels produced by their 3-D propagation simulator. We, thus, tested the robustness of the precoders for different indoor configurations in the HIPERLAN/2 frequency band and compared results to those of the Rayleigh case

La demande sans cesse croissante pour des services sans fil de plus en plus gourmandes en ressources et l'évolution de l'état du marché des communications sans fil, obligent les futurs systèmes (4G) à obéir à des contraintes d'efficacités spectrales plus importantes et à fournir une meilleure qualité de service, particulièrement pour les utilisateurs se trouvant en bordure de cellules. Afin de répondre à ces objectifs, les nouveaux systèmes de communication devront incorporer des technologies qui leur permettent d'augmenter l'efficacité spectrale dans la cellule. Une des techniques des plus prometteuses permettant d'atteindre ces objectifs est le MIMO Coopératif dans les Réseaux Multi-cellulaires (Multicell-MIMO en anglais) qui est capable de diminuer l'interférence intercellulaire et d'augmenter le débit. Cette technique nécessite qu'un certain nombre de stations de base (BSs) se regroupent et traitent les signaux conjointement. Cependant, le Multicell-MIMO coopératif nécessite l'introduction de charges supplémentaires non négligeables sur le réseau afin de permettre le bon fonctionnement de cette technologie. Le but de cette thèse est d'étudier ces charges afin de trouver les mécanismes de les réduire avec des pertes acceptables de performances. Dans un premier temps, partant du fait que les charges introduites sur le réseau par le Multicell-MIMO coopératif sont proportionnelles au nombre de BSs qui coopèrent, nous sommes concentrés sur le regroupement d'un faible nombre d'entre eux. Nous proposons pour cela une coopération entre les BSs qui génèrent beaucoup d'interférences l'une pour l'autre, au lieu de considérer une coopération entre les stations de bases qui sont géographiquement proches l'une de l'autre. Cette approche nous a permis d'apporter des gains significatifs au niveau de l'efficacité spectrale. Par ailleurs, la conception centralisée classique pour le MIMO coopératif nécessite que les BSs appartenant à un même groupe soient interconnectées par une unité de contrôle centrale, leur permettant l'échange d'informations entre autres sur l'état du canal (CSI: Channel State Information en anglais). Cette architecture rend difficile le déploiement de cette technologie dans les réseaux de communications mobiles vu qu'elle nécessite des investissements supplémentaires pour le rajout de l'infrastructure additionnelle. Dans cette thèse, on propose une nouvelle approche mettant en œuvre une architecture décentralisée. Ceci nous assure la simplicité d'intégration du principe de la coopération Multi-cellulaire dans les systèmes cellulaires conventionnels à travers de minimes changements sur leur architecture. En outre, dans les systèmes de communication FDD (Frequency Division Duplexing en anglais) la connaissance du canal de transmission est cruciale afin d'assurer une bonne communication sur le lien descendant. Pour cela, les différents utilisateurs doivent réaliser une estimation du canal et la renvoyer sur une voie de retour. Nous proposons dans cette thèse une approche permettant de diminuer le trafic généré par le processus de retour du CSI en ne sélectionnant que les coefficients du canal ayant un gain supérieur à un niveau préfixé. On montre que la réduction de cette charge sur la voie de retour peut être combinée avec la réduction de la charge sur le backhaul (échange des donnés entre les BSs qui coopèrent). Une autre technique prometteuse, qui permet d'améliorer l'efficacité spectrale, est l'utilisation des relais. Les relais dynamiques (utilisateurs qui relaient des signaux destinés aux autres utilisateurs) sont plus rentables que les relais statiques, car ils n'exigent pas de déploiement de nouvelle infrastructure coûteuse. Cependant, leur utilisation ajoute des charges supplémentaires et des complexités importantes. Dans cette thèse l'efficacité des relais dynamiques est évaluée dans des environnements différents. De plus quelques techniques originales qui exploitent les relais dynamiques tout en exigeant des charges générales minimales sont présentées
The constantly increasing demand for wireless services, the scarcity of radio spectrum and the characteristics of the global wireless market, necessitate that future wireless systems (Fourth Generation Mobile - 4G) provide higher peak data rates and better QoS, especially for the cell-edge users. Furthermore it is essential that they achieve high spectral efficiencies and they are easily deployed. In order to be able to accomplish these objectives, wireless systems need to incorporate technologies that increase the cell throughput without increasing spectral consumption. A very promising technique that can achieve the aforementioned targets is Multicell Cooperative Processing (MCP) or Multicell-MIMO. MCP has the potential to mitigate Inter-Cell Interference (ICI) and augment data rates without sacrificing additional spectrum but at the cost of some overhead and complexity. According to the concept of clustered MCP proposed in this thesis, Base Stations (BSs) are grouped into cooperation clusters, each of which contains a subset of the network BSs. The BSs of each cluster exchange information and jointly process signals as they form virtual antenna arrays distributed in space. In these systems, each user receives useful signals from several BSs and therefore the notion of a cell transcends the one of the conventional cellular systems. Although Multicell-MIMO is a technique that can help meet a lot of the challenges towards 4G systems, it has some intrinsic drawbacks that need to be addressed in order for it to be brought into practice; this is the main focus of the present thesis. Firstly the problem of how to optimally form BS cooperation clusters of limited size has been investigated. MCP's overheads are proportional to the size of cooperation clusters, therefore this size should be kept limited. The straightforward solution of forcing neighboring BSs to collaborate provides limited gains. In this thesis it is proposed that the BSs which interfere the most with each other should cooperate rather the ones that are in close proximity. This is shown to lead to significant spectral efficiency gains while cluster sizes are kept very small. The typical centralized architectural conception for MCP entails that the BSs of each cooperation cluster should be inter-connected through a control unit and exchange Channel State Information (CSI). This conception impedes the deployment of MCP systems as it implies additional infrastructural costs. In this thesis a new decentralized framework has been proposed that allows the incorporation of MCP by the conventional cellular systems with very few changes upon their architecture. Mobile Stations (MSs) feed back their CSI not only to one BS as in current systems, but they broadcast this information to all collaborating BSs, and the resulting inter-BS CSI information exchange requirement is minimal. In the downlink, a major overhead of MCP that needs to be mitigated is the one of CSI over-the-air feedback (i. E. Mobile to base). Furthermore the collaborating BSs need to exchange the user data to be transmitted through the backhaul (backhaul overhead). For downlink communication under Frequency Division Duplexing (FDD), each user needs to estimate and feed back to the system infrastructure (one or more BSs) a number of channel coefficients, equal at least to the number of collaborating antennas at each subcarrier in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). This feedback load renders the deployment of MCP prohibitive in large scale deployments. In this thesis we suggest the use of a selective feedback approach. In this setup only the significant coefficients are fed back by the users; the ones whose channel gain exceeds a threshold. This approach can be also exploited in reducing backhaul overhead through scheduling or precoding design. It is shown that this is a good tradeoff between performance and overheads that can facilitate the incorporation of MCP by future systems. Another promising technique that can increase spectral efficiency of wireless systems is cooperative relaying. In this thesis the utilization of dynamic relays (user terminals relay signals) in cellular systems is investigated. Dynamic relays are more cost effective than static ones, as they bring the gains of relaying without the need for costly new infrastructure. However their utilization entails very high overheads and complexities (CSI feedback requirements, relay selection process). In the present dissertation the performance of dynamic relays in different cellular environments is assessed from a system level point of view and some novel techniques that exploit dynamic relays while requiring minimal overhead are presented. The overheads of relaying are proportional to the number of considered relay candidates (relay selection process). It is suggested that for a specific transmission only a small but suitable set of relay nodes are considered as relaying candidates. This is an efficient method to benefit from dynamic relays while circumventing their drawbacks

Les systèmes multi-antennaires (Multiple-Input Multiple-Ouput) dans le domaine des communications numériques permettent d'améliorer la transmission des données selon deux paramètres antagonistes : le débit d'information et la fiabilité de transmission (Probabilité d'Erreurs Binaire moyenne). Avec de tels systèmes, la connaissance du canal à l'émission (Channel State Information) est un point-clé pour diminuer la PEB grâce à différentes stratégies d'allocations de puissance. Ainsi, un précodeur linéaire à l'émission associé à un décodeur linéaire à la réception optimisent un critère pertinent grâce à cette information. Il en résulte une famille importante de précodeurs dénommée "précodeurs diagonaux" : le système MIMO est équivalent à des sous-canaux indépendants. Les critères optimisés sont par exemple la minimisation de l'erreur quadratique moyenne ou la maximisation de la capacité. L'équipe TST a récemment élaboré un nouveau précodeur non diagonal maximisant la distance minimale entre les symboles reçus (max-dmin). L'enjeu de cette thèse est d'estimer les performances en terme de PEB de ce nouveau précodeur et de les i comparer avec les méthodes existantes (code d'Alamouti et précodeurs diagonaux). Nous avons démontré l'ordre de diversité maximal du max-drain puis déterminé une bonne approximation de sa PEB. Le précodeur max-dmin est ensuite associé à de la diversité de polarisation permettant de réduire le coût et l'occupation spatiale d'un système MIMO. Malgré l'introduction de corrélation, les performances du max-dmin sont intéressantes. Nous avons ensuite proposé une extension du précodeur max-dmin permettant de supprimer la limitation à deux sous-canaux
In wireless communications, the Multiple-Input Multiple-Ouput (MIMO) systems constitute an efficient way to significantly enhance data transmission according to two main, though antagonistic, parameters: the spectral efficiency and reliability assessed from the average binary error probability (BEP). With such systems the knowledge of the channel state information (CSI) at the transmitter side is paramount to lower reduce the BEP through différent stratégies of power allocation. Indeed, once the CSI has been fully (or perfectly) known, a linear precoder at the transmit side and a linear decoder at the receive side can be designed for subséquent association by optimizing one among the following criteria: minimum mean square error (MMSE) or the capacity. Their respective optimisations have led to a family of diagonal precoders: the MIMO system is équivalent to indépendant SISO subchannels. Recently, a new no-diagonal precoder designed within our laboratory optimizes the minimal Euclidean distance between receive symbols. This thesis work was aimed at estimating the BEP of this precoder for comparison with other methods (Alamouti's code and diagonal precoders). We demonstrated the maximal diversity order of the max¬dmin, and then gave a tight BEP approximation. Moreover, the spatial dimensions and the final cost of a MIMO device were reduced by associating of the precoder max-dmin with polarity diversity. Despite the corrélation induced by this system, the max-dmin performances are still worth being considered. We also proposed an extension of the max-dmin to more than two sub-channels in order to exploit larger MIMO systems

La recherche sur la technologie MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) s’est focalisée, dans un premier temps, sur l’aspect théorique du problème dans le domaine des communications numériques. De nombreux travaux ont notamment porté sur l’établissement des performances théoriques de tels systèmes et sur la proposition d’ensembles émetteur/récepteur permettant de tirer bénéfice de l’utilisation de plusieurs antennes. Les premières plate-formes matérielles d’évaluation ont par ailleurs permis de démontrer la faisabilité et l’intérêt du système multi-antennes. Cependant, l’exploitation de la diversité du canal MIMO implique l’utilisation de récepteurs performants. Afin de s’approcher des performances optimales, le principe Turbo initialement proposé dans le contexte des codes correcteurs d’erreurs a été étendu aux transmissions MIMO. Ainsi, cette thèse traite de la faisabilité matérielle d’un récepteur MIMO itératif décomposé en deux fonctions principales : une détection MIMO basée sur le critère du minimum d’erreur quadratique moyenne avec annulation d’interférences (MMSE-IC) et un décodage de canal. Le principe Turbo, consiste en un échange d’information souple entre ces deux fonctions au cours d’un processus itératif par l’intermédiaire d’un entrelaceur et d’un désentrelaceur. De plus, l’étude est menée sur une technique de transmission particulière qui exploite un précodage linéaire en tant que code espace-temps à l’émission. Après une description théorique du récepteur MIMO itératif traitant les techniques, les algorithmes, les paramètres et les performances correspondantes, nous avons abordé une étape intermédiaire avant la définition et la conception de solutions architecturales pour le récepteur itératif. Cette étape comprend, d’une part, la proposition de modifications algorithmiques réduisant la complexité tout en limitant les dégradations au niveau des performances et, d’autre part, le développement d’une version algorithmique du récepteur itératif en virgule fixe. Afin de définir et de concevoir des architectures pertinentes pour le récepteur itératif, des solutions architecturales pour les deux blocs principaux constituant le récepteur itératif, à savoir le détecteur souple et le décodeur souple ont été explorées. Le détecteur MIMO repose sur l’algorithme MMSE-IC qui utilise des opérations matricielles de nombres complexes et une inversion matricielle. Après avoir présenté un état de l’art des architectures de détection MIMO, les opérateurs arithmétiques de nombres complexes sont investigués ainsi que les architectures d’inversion matricielle afin de définir des opérateurs matriciels efficaces qui serviront de blocs de base pour les différents modules du détecteur souple. En ce qui concerne le décodeur, les différentes solutions architecturales pour le décodage s’appuyant sur un traitement en sous-blocs ont été explorées afin de choisir celle offrant le meilleur compromis performance/complexité. Une fois les architectures du détecteur et du décodeur définies, une architecture globale du récepteur itératif a été proposée. Elle a nécessité la définition d’entrelaceurs réalistes. Enfin, l’architecture proposée pour le récepteur MIMO itératif a été intégrée sur un circuit programmable (FPGA). En pratique une chaîne de transmission MIMO complète comprenant l’émetteur, un émulateur de canal MIMO et le récepteur itératif a été implantée sur une carte de prototypage. Le prototype démontre la faisabilité matérielle du récepteur MIMO en termes de performances, de complexité et de débit.

De nos jours, le nombre des utilisateurs mobiles est en train d’exploser et cela va de même pour la demande en débit. En effet, cette demande croissante ainsi que le nombre considérable d’appareils qui sont appelés à être connectés (plus de 29 milliards d’ici 2022 selon Ericsson) oblige à entièrement repenser les technologies de communication mobile. De nouveaux systèmes doivent être développés afin de proposer une solution aux nouveaux usages qui vont naître de cette évolution. Le MIMO massif est une nouvelle technologie caractéristique de la 5G. Au lieu de mettre en place une seule antenne réceptrice-émettrice, le MIMO massif combine plusieurs antennes à la fois afin de renforcer le signal et réduire les interférences. Un tel système est très souvent étudié pour des transmissions multi-utilisateurs grâce à son potentiel à focaliser l’énergie. Parmi les nombreuses technologies caractéristiques de la 5G, nous considérons comme un bon candidat un système fonctionnant à des longueurs d’onde millimétriques afin de satisfaire le besoin du débit élevé sur des petites zones cibles. Cependant, plusieurs difficultés de conception apparaissent à une telle échelle de fréquence. Particulièrement, l’utilisation d’un nombre élevé de chaînes RF en parallèle semble plus compliquée. Pour remédier à ce problème, des systèmes dits hybrides ont vu le jour et ils sont identifiés comme des solutions pertinentes afin de contourner ces difficultés. Malgré les avantages apportés par les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques, il est important de comprendre ces innovations d’un point de vue d’évolution de l’architecture des réseaux. De nos jours, l’architecture moderne des réseaux cellulaires devient de plus en plus hétérogène, pour de bonnes raisons. Dans ces réseaux hétérogènes, les stations de base sont souvent augmentées avec un grand nombre de petites cellules. Ces dernières consistent en de petites stations de base, utilisées pour améliorer la couverture dans des environnements denses et pour augmenter la capacité du réseau. Cependant, plusieurs problèmes techniques naissent du déploiement dense de ces petites cellules. Particulièrement, leur coexistence avec les réseaux traditionnels et les différents niveaux de puissance de transmission peuvent être la source de fortes interférences entre les cellules. Le travail de ce mémoire se concentre sur la gestion des interférences intercellulaires dans un réseau hétérogène à spectre partagé. Ces interférences sont dues principalement au fait que les utilisateurs sont forcés de s’associer aux petites cellules en présence de macrocellules avoisinantes. Par conséquent, nous proposons une nouvelle architecture d’un réseau hétérogène comprenant plusieurs petites cellules qui coexistent avec une macrocellule équipée d’un grand nombre d’antennes au niveau de la macro station de base (MBS). L’objectif est de concevoir un nouveau schéma de précodage hybride permettant d’annuler les interférences intercellulaires sur le lien descendant (DL). Nous proposons d’appliquer uniquement un contrôle de phase pour coupler les sorties de la chaîne RF aux antennes d’émission, en utilisant des déphaseurs RF économiques. Un précodage numérique est ensuite effectué à la station de base pour gérer les interférences intercellulaires et multi-utilisateurs en s’appuyant sur l’espace nul des canaux d’interférences. Enfin, des résultats de simulations démontrant l’efficacité spectrale de l’approche proposée sont présentées et comparées avec diverses techniques de précodage
De nos jours, le nombre des utilisateurs mobiles est en train d’exploser et cela va de même pour la demande en débit. En effet, cette demande croissante ainsi que le nombre considérable d’appareils qui sont appelés à être connectés (plus de 29 milliards d’ici 2022 selon Ericsson) oblige à entièrement repenser les technologies de communication mobile. De nouveaux systèmes doivent être développés afin de proposer une solution aux nouveaux usages qui vont naître de cette évolution. Le MIMO massif est une nouvelle technologie caractéristique de la 5G. Au lieu de mettre en place une seule antenne réceptrice-émettrice, le MIMO massif combine plusieurs antennes à la fois afin de renforcer le signal et réduire les interférences. Un tel système est très souvent étudié pour des transmissions multi-utilisateurs grâce à son potentiel à focaliser l’énergie. Parmi les nombreuses technologies caractéristiques de la 5G, nous considérons comme un bon candidat un système fonctionnant à des longueurs d’onde millimétriques afin de satisfaire le besoin du débit élevé sur des petites zones cibles. Cependant, plusieurs difficultés de conception apparaissent à une telle échelle de fréquence. Particulièrement, l’utilisation d’un nombre élevé de chaînes RF en parallèle semble plus compliquée. Pour remédier à ce problème, des systèmes dits hybrides ont vu le jour et ils sont identifiés comme des solutions pertinentes afin de contourner ces difficultés. Malgré les avantages apportés par les systèmes MIMO massifs à ondes millimétriques, il est important de comprendre ces innovations d’un point de vue d’évolution de l’architecture des réseaux. De nos jours, l’architecture moderne des réseaux cellulaires devient de plus en plus hétérogène, pour de bonnes raisons. Dans ces réseaux hétérogènes, les stations de base sont souvent augmentées avec un grand nombre de petites cellules. Ces dernières consistent en de petites stations de base, utilisées pour améliorer la couverture dans des environnements denses et pour augmenter la capacité du réseau. Cependant, plusieurs problèmes techniques naissent du déploiement dense de ces petites cellules. Particulièrement, leur coexistence avec les réseaux traditionnels et les différents niveaux de puissance de transmission peuvent être la source de fortes interférences entre les cellules. Le travail de ce mémoire se concentre sur la gestion des interférences intercellulaires dans un réseau hétérogène à spectre partagé. Ces interférences sont dues principalement au fait que les utilisateurs sont forcés de s’associer aux petites cellules en présence de macrocellules avoisinantes. Par conséquent, nous proposons une nouvelle architecture d’un réseau hétérogène comprenant plusieurs petites cellules qui coexistent avec une macrocellule équipée d’un grand nombre d’antennes au niveau de la macro station de base (MBS). L’objectif est de concevoir un nouveau schéma de précodage hybride permettant d’annuler les interférences intercellulaires sur le lien descendant (DL). Nous proposons d’appliquer uniquement un contrôle de phase pour coupler les sorties de la chaîne RF aux antennes d’émission, en utilisant des déphaseurs RF économiques. Un précodage numérique est ensuite effectué à la station de base pour gérer les interférences intercellulaires et multi-utilisateurs en s’appuyant sur l’espace nul des canaux d’interférences. Enfin, des résultats de simulations démontrant l’efficacité spectrale de l’approche proposée sont présentées et comparées avec diverses techniques de précodage
Nowadays, the number of mobile users and the demand for bandwidth are exploding. Indeed, this growing demand and the considerable number of devices to be connected (more than 29 billion by 2022 according to Ericsson) requires a complete rethink of the mobile communication technologies. New systems must be developed in order to provide a solution to the new uses that will emerge from this evolution. Massive MIMO is a new technology characteristic of 5G. Instead of implementing a single transmitting/receiving antenna, massive MIMO system combines several antennas to rein-force the signal and reduce the interference. Such a system is very often studied for multi-user transmissions thanks to its potential to focus energy. Among the many characteristic technologies of 5G, we consider as good candidates, those operating at millimetre wavelengths to satisfy the need for high throughput in small targeted areas. However, several design difficulties occur at such a frequency scale. In particular, the use of a large number of RF chains in parallel is more complicated. To remedy this problem, hybrid systems have emerged and are identified as relevant solutions to overcome these difficulties. Despite the benefits of massive MIMO systems and millimetre wave, it is important to understand these innovations from the perspective of network architecture evolution. Nowadays, the modern architecture of cellular networks is becoming more and more heterogeneous, for good reasons. In these heterogeneous networks, base stations are often augmented with a large number of small cells. It consists of small base stations, used to improve coverage in dense environments and increase network capacity. However, several technical problems arise from the dense deployment of these small cells. In particular, their coexistence with traditional networks and the different levels of transmission power can be the source of strong interferences between cells. In this thesis, we focus on the intercellular interference management in a heterogeneous shared spectrum network. This interference is mainly due to the fact that users are forced to be associated with small cells in the presence of surrounding macrocells. Therefore, we propose a new architecture of a heterogeneous network comprising several small cells that coexist with a macrocell equipped with a large number of antennas at the macro base station (MBS). The goal is to design a new hybrid precoding scheme to cancel intercellular interference on the downlink transmissions (DL). We propose to apply only phase control to couple the outputs of the RF chain to the transmitting antennas, using economical RF phase shifters. Digital precoding is then performed at the base station to manage intercellular and multi-user interference based on the null space of the interference channels. Finally, simulation results demonstrating the spectral efficiency of the proposed approach are presented and compared with various precoding techniques
Nowadays, the number of mobile users and the demand for bandwidth are exploding. Indeed, this growing demand and the considerable number of devices to be connected (more than 29 billion by 2022 according to Ericsson) requires a complete rethink of the mobile communication technologies. New systems must be developed in order to provide a solution to the new uses that will emerge from this evolution. Massive MIMO is a new technology characteristic of 5G. Instead of implementing a single transmitting/receiving antenna, massive MIMO system combines several antennas to rein-force the signal and reduce the interference. Such a system is very often studied for multi-user transmissions thanks to its potential to focus energy. Among the many characteristic technologies of 5G, we consider as good candidates, those operating at millimetre wavelengths to satisfy the need for high throughput in small targeted areas. However, several design difficulties occur at such a frequency scale. In particular, the use of a large number of RF chains in parallel is more complicated. To remedy this problem, hybrid systems have emerged and are identified as relevant solutions to overcome these difficulties. Despite the benefits of massive MIMO systems and millimetre wave, it is important to understand these innovations from the perspective of network architecture evolution. Nowadays, the modern architecture of cellular networks is becoming more and more heterogeneous, for good reasons. In these heterogeneous networks, base stations are often augmented with a large number of small cells. It consists of small base stations, used to improve coverage in dense environments and increase network capacity. However, several technical problems arise from the dense deployment of these small cells. In particular, their coexistence with traditional networks and the different levels of transmission power can be the source of strong interferences between cells. In this thesis, we focus on the intercellular interference management in a heterogeneous shared spectrum network. This interference is mainly due to the fact that users are forced to be associated with small cells in the presence of surrounding macrocells. Therefore, we propose a new architecture of a heterogeneous network comprising several small cells that coexist with a macrocell equipped with a large number of antennas at the macro base station (MBS). The goal is to design a new hybrid precoding scheme to cancel intercellular interference on the downlink transmissions (DL). We propose to apply only phase control to couple the outputs of the RF chain to the transmitting antennas, using economical RF phase shifters. Digital precoding is then performed at the base station to manage intercellular and multi-user interference based on the null space of the interference channels. Finally, simulation results demonstrating the spectral efficiency of the proposed approach are presented and compared with various precoding techniques