Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks

Traitement du signal pour les communications numériques au travers de canaux radio-mobiles

This manuscript of ''Habilitation à diriger les Recherches'' (Habilitation to conduct researches) gives me the opportunity to take stock of the last 14 years on my associate professor activities and on my research works in the field of signal processing for digital communications, particularly for radio-mobile communications. The purpose of this signal processing is generally to obtain a robust transmission, despite the passage of digital information through a communication channel disrupted by the mobility between the transmitter and the receiver (Doppler effect), the phenomenon of echoes (multi-path propagation), the addition of noise or interference, or by limitations in bandwidth, in transmitted power or in signal-to-noise ratio. In order to recover properly the digital information, the receiver needs in general to have an accurate knowledge of the channel state. Much of my work has focused on receiver synchronization or more generally on the dynamic estimation of the channel parameters (delays, phases, amplitudes, Doppler shifts, ...). We have developed estimators and studied their performance in asymptotic variance, and have compared them to minimum lower bound (Cramer-rao or Bayesian Cramer Rao bounds). Some other studies have focused only on the recovering of information (''detection'' or ''equalization'' task) by the receiver after channel estimation, or proposed and analyzed emission / reception schemes, reliable for certain scenarios (transmit diversity scheme for flat fading channel, scheme with high energy efficiency, ...).Ce mémoire de HDR est l'occasion de dresser un bilan des 14 dernières années concernant mes activités d'enseignant-chercheur et mes travaux de recherche dans le domaine du traitement du signal pour les communications numériques, et plus particulièrement les communications radio-mobiles. L'objet de ce traitement du signal est globalement l'obtention d'une transmission robuste, malgré le passage de l'information numérique au travers d'un canal de communication perturbé par la mobilité entre l'émetteur et le récepteur (effet Doppler), le phénomène d'échos, l'addition de bruit ou d'interférence, ou encore par des limitations en bande-passante, en puissance transmise ou en rapport-signal à bruit. Afin de restituer au mieux l'information numérique, le récepteur a en général besoin de disposer d'une connaissance précise du canal. Une grande partie de mes travaux s'est intéressé à l'estimation dynamique des paramètres de ce canal (retards, phases, amplitudes, décalages Doppler, ...), et en particulier à la synchronisation du récepteur. Quelques autres travaux se sont intéressés seulement à la restitution de l'information (tâches de ''détection'' ou d' ''égalisation'') par le récepteur une fois le canal estimé, ou à des schémas d'émission / réception spécifiques. La synthèse des travaux commence par une introduction générale décrivant les ''canaux de communications'' et leurs problèmes potentiels, et positionne chacun de mes travaux en ces termes. Une première partie s'intéresse aux techniques de réception pour les signaux à spectre étalé des systèmes d'accès multiple à répartition par codes (CDMA). Ces systèmes large-bande offrent un fort pouvoir de résolution temporelle et des degrés de liberté, que nous avons exploités pour étudier l'égalisation et la synchronisation (de retard et de phase) en présence de trajets multiples et d'utilisateurs multiples. La première partie regroupe aussi d'autres schémas d'émission/réception, proposés pour leur robustesse dans différents scénarios (schéma à diversité pour canaux à évanouissement plats, schéma à forte efficacité énergétique, ...). La seconde partie est consacrée à l'estimation dynamique Bayésienne des paramètres du canal. On suppose ici qu'une partie des paramètres à estimer exhibe des variations temporelles aléatoires selon une certaine loi à priori. Nous proposons d'abord des estimateurs et des bornes minimales d'estimation pour des modèles de transmission relativement complexes, en raison de la distorsion temporelle due à la forte mobilité en modulation multi-porteuse (OFDM), ou de la présence de plusieurs paramètres à estimer conjointement, ou encore de non linéarités dans les modèles. Nous nous focalisons ensuite sur le problème d'estimation des amplitudes complexes des trajets d'un canal à évolution lente (à 1 ou plusieurs bonds). Nous proposons des estimateurs récursifs (dénommés CATL, pour ''Complex Amplitude Tracking Loop'') à structure imposée inspirée par les boucles à verrouillage de phase numériques, de performance asymptotiques proches des bornes minimales. Les formules analytiques approchées de performances asymptotiques et de réglages de ces estimateurs sont établies sous forme de simples fonctions des paramètres physiques (spectre Doppler, retards, niveau de bruit). Puis étant donné les liens établis entre ces estimateurs CATL et certains filtres de Kalman (construits pour des modèles d'état de type marche aléatoire intégrée), les formules approchées de performances asymptotiques et de réglage de ces filtres de Kalman sont aussi dérivées

Modulation, Coding, and Receiver Design for Gigabit mmWave Communication

While wireless communication has become an ubiquitous part of our daily life and the world around us, it has not been able yet to deliver the multi-gigabit throughput required for applications like high-definition video transmission or cellular backhaul communication. The throughput limitation of current wireless systems is mainly the result of a shortage of spectrum and the problem of congestion. Recent advancements in circuit design allow the realization of analog frontends for mmWave frequencies between 30GHz and 300GHz, making abundant unused spectrum accessible. However, the transition to mmWave carrier frequencies and GHz bandwidths comes with new challenges for wireless receiver design. Large variations of the channel conditions and high symbol rates require flexible but power-efficient receiver designs. This thesis investigates receiver algorithms and architectures that enable multi-gigabit mmWave communication. Using a system-level approach, the design options between low-power time-domain and power-hungry frequency-domain signal processing are explored. The system discussion is started with an analysis of the problem of parameter synchronization in mmWave systems and its impact on system design. The proposed synchronization architecture extends known synchronization techniques to provide greater flexibility regarding the operating environments and for system efficiency optimization. For frequency-selective environments, versatile single-carrier frequency domain equalization (SC-FDE) offers not only excellent channel equalization, but also the possibility to integrate additional baseband tasks without overhead. Hence, the high initial complexity of SC-FDE needs to be put in perspective to the complexity savings in the other parts of the baseband. Furthermore, an extension to the SC-FDE architecture is proposed that allows an adaptation of the equalization complexity by switching between a cyclic-prefix mode and a reduced block length overlap-save mode based on the delay spread. Approaching the problem of complexity adaptation from time-domain, a high-speed hardware architecture for the delayed decision feedback sequence estimation (DDFSE) algorithm is presented. DDFSE uses decision feedback to reduce the complexity of the sequence estimation and allows to set the system performance between the performance of full maximum-likelihood detection and pure decision feedback equalization. An implementation of the DDFSE architecture is demonstrated as part of an all-digital IEEE802.11ad baseband ASIC manufactured in 40nm CMOS. A flexible architecture for wideband mmWave receivers based on complex sub-sampling is presented. Complex sub-sampling combines the design advantages of sub-sampling receivers with the flexibility of direct-conversion receivers using a single passive component and a digital compensation scheme. Feasibility of the architecture is proven with a 16Gb/s hardware demonstrator. The demonstrator is used to explore the potential gain of non-equidistant constellations for high-throughput mmWave links. Specifically crafted amplitude phase-shift keying (APSK) modulation achieve 1dB average mutual information (AMI) advantage over quadrature amplitude modulation (QAM) in simulation and on the testbed hardware. The AMI advantage of APSK can be leveraged for a practical transmission using Polar codes which are trained specifically for the constellation