Etude et optimisation des systèmes multi-antennes associés à des modulations multiporteuses - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2004

Study and optimization of multi-antenna systems associated with multicarrier modulations

Etude et optimisation des systèmes multi-antennes associés à des modulations multiporteuses

Résumé

Since several years, multi-antenna systems are foreseen as a potential solution for increasing
the throughput of future wireless communication systems. The aim of this thesis is to study
and to improve the transmitter and receiver's techniques of these MIMO (Multiple Input
Multiple Output) systems in the context of a multi-carrier transmission.
On the one hand, the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) modulation,
which transform a frequency selective channel into multiple non frequency selective channels,
is particularly well adapted to the conception of MIMO receivers with low complexity.
On the other hand, two techniques allowing to improve the exploitation of frequential
and/or temporal diversities are associated with OFDM, namely linear precoding (LP-OFDM)
and CDMA in a MC-CDMA (Multicarrier Code division Multiplex Access) scheme.
We have associated LP-OFDM and MC-CDMA with two MIMO techniques which require
no channel state information at the transmitter, that is STBC (Space-Time Block Coding)
and spatial multiplexing.
It is shown that for these two systems MIMO MC-CDMA and MIMO LP-OFDM, spatial,
temporal and frequential diversities are efficiently exploited.
The advantage of the association with orthogonal STBC is that low complexity receivers
can be implemented. In fact, for a STBC LP-OFDM system, a simple linear MMSE equalizer
leads to performance close to those obtained with a Maximum Likelihood (ML) receiver allowing
the use of large linear precoding matrices. For STBC MC-CDMA, like SISO MC-CDMA,
single-user detectors leads to the best tradeoff performance/complexity.
When LP-OFDM or MC-CDMA are associated with spatial multiplexing, the surplus
of complexity for the receivers is inherent to the multi-antenna interference. We have also
demonstrated that the implementation of a simple MMSE receiver requiring the inversion of
the MIMO channel matrix leads to very good performance. A similar process can be applied
for non orthogonal STBC.
Combined with an iterative process when channel coding is inserted at the transmitter,
all these systems can reach the matched filter bound performance close to the gaussian curve
performance using simple operations.
The gain in spectral efficiency and performance is to the advantage of spatial multiplexing
techniques because they benefit from the linear augmentation of the capacity with the minimum
number of transmit and receive antennas. The trade-off between throughput and
complexity will indicate the choice of the MIMO system to associate with LP-OFDM and
MC-CDMA. Theoretical channels as well as realistic channels are simulated with or without
correlation between antennas.
Depuis quelques années, les techniques multi-antennes sont envisagées comme solution
potentielle pour augmenter le débit des futurs systèmes de communications sans fils. L'objectif
de cette thèse est d'étudier et d'améliorer les techniques d'émission et de réception de ces
systèmes MIMO (Multiple Input Multiple Output) dans un contexte multi-porteuses.
En effet, l'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), qui permet de transformer
un canal sélectif en fréquence en de multiples canaux non sélectifs, est particulièrement bien
adapté à la conception de récepteurs MIMO peu complexes.
D'autre part, deux techniques permettant d'améliorer l'exploitation de la diversité fréquentielle
et/ou temporelle sont associées à l'OFDM, à savoir le précodage linéaire (LP-OFDM) et
le CDMA dans un schéma de type MC-CDMA (Multicarrier-Code division Multiplex Access).
Nous avons associé le LP-OFDM et le MC-CDMA à deux techniques MIMO ne nécessitant
pas de connaissance du canal à l'émission, le codage espace-temps en blocs STBC (Space-Time
Block Coding) et le multiplexage spatial.
On montre que pour les deux systèmes MIMO MC-CDMA et MIMO LP-OFDM, les diversités
spatiales, temporelles et fréquentielles sont efficacement exploitées.
L'avantage de l'association avec les STBC orthogonaux est que des récepteurs particulièrement
simples peuvent être mis en oeuvre. En effet, pour un système STBC LP-OFDM, un
simple égaliseur linéaire MMSE fournit des performances proches de celles obtenues avec un
récepteur à maximum de vraisemblance permettant l'utilisation de grandes matrices de précodage.
En STBC MC-CDMA, des récepteurs mono-utilisateur conduisent, comme en SISO
MC-CDMA, au meilleur compromis performances/complexité.
Lorsque le LP-OFDM ou le MC-CDMA sont associés à du multiplexage spatial, le surplus
de complexité des récepteurs est inhérent à la gestion de l'interférence multi-antennes. Nous
avons démontré que la mise en oeuvre d'un simple récepteur de type MMSE nécessitant
l'inversion de la matrice de canal MIMO conduit à de très bonnes performances. Un processus
similaire peut également être appliqué pour des STBC non orthogonaux.
Associés à un système itératif lors de l'insertion d'un codage de canal à l'émission, tous
ces systèmes peuvent atteindre les performances de la borne du filtre adapté proche des performances
de la courbe gaussienne en utilisant de simples opérations.
Le gain en efficacité spectrale et en performances est à l'avantage des techniques à multiplexage
spatial car elles profitent de l'augmentation linéaire de la capacité avec le minimum
du nombre d'antennes d'émission et de réception. Le compromis débit/complexité indiquera
le choix du système MIMO à associer au LP-OFDM ou au MC-CDMA. Les performances sont
étudiées avec ou sans corrélation et sur des canaux théoriques et réalistes.
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Dates et versions

tel-00009531 , version 1 (17-06-2005)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00009531 , version 1

Citer

Vincent Le Nir. Etude et optimisation des systèmes multi-antennes associés à des modulations multiporteuses. Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. INSA de Rennes, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00009531⟩
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