Generalized DFT: extensions in communications

Discrete Fourier Transform (DFT) is a restricted version of Generalized DFT (GDFT) which offers a very limited number of sets to be used in a multicarrier communication system. In contrast, as an extension on Discrete Fourier Transform (DFT) from the linear phase to non-linear phase, the proposed GDFT provides many possible carrier sets of various lengths with comparable or better performance than DFT. The availability of the rich library of orthogonal constant amplitude transforms with good performance allows people to design adaptive systems where user code allocations are made dynamically to exploit the current channel conditions in order to deliver better performance. For MIMO Radar systems, the ideal case to detect a moving target is when all waveforms are orthogonal, which can provide an accurate estimation. But this is not practical in distributed MIMO radars, where sensors are at varying distances from a target. Orthogonal waveforms with low auto- and cross-correlations are of great interest for MIMO radar applications with distributed antennas. Finite length orthogonal codes are required in real-world applications where frequency selectivity and signal correlation features of the optimal subspace are compromised. In the first part of the dissertation, a method is addressed to design optimal waveforms which meets above requirements for various radar systems by designing the phase shaping function (PSF) of GDFT framework with non-linear phase. Multicarrier transmission such as orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) has seen a rise in popularity in wireless communication, as it offers a promising choice for high speed data rate transmission. Meanwhile, high peak-to-average power ratio (PAPR) is one of the well-known drawbacks of the OFDM system due to reduced power efficiency in non-linear modules. Such a situation leads to inefficient amplification and increases the cost of the system, or increases in interference and signal distortion. Therefore, PAPR reduction techniques play an essential role to improve power efficiency in the OFDM systems. There has been a variety of PAPR reduction methods emphasizing different aspects proposed in the literature. The trade-off for PAPR reduction in the existing methods is either increased average power and/or added computational complexity. A new PAPR reduction scheme is proposed that implements a pre-designed symbol alphabet modifier matrix (SAM) to jointly modify the amplitude and phase values of the original data symbol alphabets prior to the IFFT operation of an OFDM system at the transmitter. The method formulated with the GDFT offers a low-complexity framework in four proposed cases devised to be independent of original data symbols. Without degrading the bit error rate (BER) performance, it formulates PAPR reduction problem elegantly and outperforms partial transmit sequences (PTS), selected mapping technique (SLM) and Walsh Hadamard transform (WHT-OFDM) significantly for the communication scenarios considered in the dissertation

Méthodes de codage et d'estimation adaptative appliquées aux communications sans fil

Les recherches et les contributions présentées portent sur des techniques de traitement du signal appliquées aux communications sans fil. Elles s’articulent autour des points suivants : (1) l’estimation adaptative de canaux de communication dans différents contextes applicatifs, (2) la correction de bruit impulsionnel et la réduction du niveau de PAPR (Peak to Average Power Ratio) dans un système multi-porteuse, (3) l’optimisation de schémas de transmission pour la diffusion sur des canaux gaussiens avec/sans contrainte de sécurité, (4) l’analyse, l’interprétation et l’amélioration des algorithmes de décodage itératif par le biais de l’optimisation, de la théorie des jeux et des outils statistiques. L’accent est plus particulièrement mis sur le dernier thème

Forme d'onde multiporteuse pour de la diffusion par satellite haute capacité

Cette thèse se concentre sur l’amélioration conjointe de l'efficacité spectrale et de l'efficacité en puissance de schémas de transmission par satellite. L’émergence de nouveaux services et l'augmentation du nombre d’acteurs dans le domaine nécessitent de disposer de débits de plus en plus importants avec des ressources de plus en plus limitées. Les progrès réalisés ces dernières années sur la technologie embarquée et dans le domaine des communications numériques permettent de considérer des schémas de transmission à plus haute efficacité spectrale et en puissance. Cependant, l’enjeu majeur des schémas de transmission proposes actuellement reste de rentabiliser les ressources disponibles. L’étude développée dans cette thèse explore les possibilités d’amélioration conjointe de l’efficacité spectrale et de l’efficacité en puissance en proposant la combinaison de la modulation Cyclic Code-Shift-Keying (CCSK), dont l’efficacité en puissance augmente avec l’élévation du degré de la modulation, avec une technique de multiplexage par codage de type Code-Division Multiplexing (CDM) pour pallier la dégradation de l’efficacité spectrale liée à l’étalement du spectre induit par la modulation CCSK. Deux approches basées sur l’utilisation de séquences de Gold de longueur N sont définies: Une approche multi-flux avec un décodeur sphérique optimal en réception. La complexité liée à l’optimalité du décodeur conduit à des valeurs d'efficacité spectrale limitées mais l’étude analytique des performances, vérifiée par des simulations, montre une augmentation de l'efficacité en puissance avec l'efficacité spectrale. Une approche mono-flux justifiée par l’apparition de redondance dans les motifs résultant du multiplexage des séquences. L’approche mono-flux propose des valeurs d’efficacité spectrale équivalente aux schémas retenus dans le standard DVB-S2 avec une amélioration de l’efficacité en puissance à partir d’un certain seuil de rapport signal à bruit par rapport à ces schémas. Par la suite, l'étude porte sur la transposition de plusieurs symboles de modulation sur les porteuses d’un système OFDM et sur les bénéfices et avantages d’une telle approche. Elle se conclut sur l’apport d’un codage canal basé sur des codes par bloc non binaires Reed-Solomon et LDPC. La forme d’onde proposée offre des points de fonctionnement à haute efficacité spectrale et haute efficacité en puissance avec des perspectives intéressantes. Dans le contexte actuel, son application reste limitée par ses fluctuations d’amplitude mais est envisageable dans un contexte de transmission multiporteuse, comme attendu dans les années à venir. ABSTRACT : This thesis focuses on jointly improving the spectral efficiency and the power efficiency of satellite transmission schemes. The emergence of new services and the increasing number of actors in this field involve higher transmission rates with increasingly limited resources. Recent progress in the embedded technologies and in digital communications offered to consider transmission schemes with higher spectral and power efficiency. Nevertheless, the major current challenge consists in making efficient use of resources. The study developed in this thesis explores the possibilities of jointly improving the spectral and power efficiency by offering a combination of the Cyclic-Code-Shift Keying modulation (CCSK), which power efficiency increases with the degree of modulation, with a multiplexing technique such as Code-Division Multiplexing (CDM) to offset the deterioration on the spectral efficiency due to the spread spectrum induced by CCSK. Two approaches based on the use of Gold sequences of length N are defined : A multi-stream approach with an optimal receiver implemented through sphere decoding. The complexity due to the receiver optimality leads to limited spectral efficiencies but the study of performance, confirmed by simulations, shows an increase in power efficiency with spectral efficiency. A single-stream approach justified by the appearance of redundancy in the patterns following the sequences multiplexing. The single-stream approach offers spectral efficiencies equivalent to the adopted schemes in the DVB-S2 standard, with improved power efficiency from a certain level of signal to noise ratio compared to those schemes. Subsequently, the study focuses on the implementation of several modulation symbols on the subcarriers of an OFDM modulator and the benefits and advantages of such an approach. It concludes with the contribution of channel coding based on nonbinary block codes such as Reed-Solomon and LDPC codes. The proposed waveform offers operating points with high spectral efficiency and high power efficiency with attractive perspectives. In the current context, its application is limited by its amplitude fluctuations but is possible in a multicarrier transmission context, as expected in the years to come

Transmission optique longue distance avec le format MB-OFDM cohérent à 100 Gbps

Today the 100 Gbps coherent dual polarization quadrature phase shift keying (Co-DP-QPSK) is standardized as the industrial solution for long-haul WDM transmission. Another alternative format to DP-QPSK that permits also to reach a data rate of 100 Gbps and beyond is the coherent orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) format. However a doubt exists over the ability of OFDM to be as efficient as QPSK for long-haul WDM transmission due to its supposed higher sensitivity to nonlinear effects . In this thesis, we have investigated the potential of Co-DP-OFDM for 100 Gbps WDM transport. The digital signal processing algorithms are detailed as well as the various experimental set-ups required to carry out and validate the 100 Gbps transceiver. We also present the transmission results obtained with several configurations. In one of these configurations, the 100 Gbps Co-DP-OFDM channel is multiplexed with forty 100 Gbps DP-QPSK channels and all these channels are transmitted over 1000 km of DCF-free G.652 fiber, while in another configuration, the Co-DP-OFDM and Co-DP-QPSK channels are combined with seventy eight 10 Gbps NRZ-OOK channels and transmitted over 1000 km of dispersion managed G.652 fiber line. We have demonstrated that OFDM and QPSK have nearly the same performance after a transmission over 1000 km, and also we have demonstrated that the transmission of these two formats over legacy fiber infrastructure is possible under the condition of decreasing by 5 dB the 10 Gbps NRZ-OOK channel power with respect to the 100 Gbps channels. The results presented in this thesis are very valuable when considering the next generation of 400 Gbps or 1 Tbps for WDM systems.Aujourd'hui, le format « Quadrature Phase Shift Keying » avec multiplexage de polarisation (DP-QPSK) opérant à 100 Gbps est devenue un standard pour la transmission WDM longue distance. Une alternative au format DP-QPSK permettant d’atteindre des débits de 100 Gbps et plus (400 G & 1Tbps) est l’ « Orthogonal Frequency Division Multiplexing » (OFDM). Mais, des interrogations subsistent quant à sa robustesse aux effets non linéaires. Dans cette thèse nous avons étudié le potentiel de la technologie OFDM pour la transmission WDM longue distance à 100 Gbps. Le traitement du signal est détaillé ainsi que la mise en œuvre du transmetteur et récepteur OFDM cohérent. Nous présentons aussi les résultats expérimentaux de la transmission obtenus dans plusieurs configurations. Dans l’une de ces configurations, le canal modulé avec le format DP-OFDM coherent (Co-DP-OFDM) est multiplexé avec 40 canaux modulés en DP-QPSK à 100 Gbps. Les canaux ont ensuite été transmis sur 1000 km de fibre G.652 sans gestion de dispersion chromatique. Dans une autre configuration, les canaux Co-DP-OFDM et Co-DP-QPSK sont combinés avec 78 canaux 10 Gbps NRZ-OOK et transmis sur 1000 km de fibre G.652 avec gestion de dispersion. Nous avons montré que le Co-DP-OFDM et Co-DP-QPSK ont des performances similaires après une transmission de 1000 km sur une ligne sans gestion de dispersion, et nous avons aussi montré que la transmission de ces formats sur une infrastructure de fibre deployée est possible à condition de réduire de 5 dB la puissance des canaux 10 Gbps NRZ-OOK par rapport aux canaux à100 Gbps. Ces résultats sont précieux pour la prochaine génération de systèmes WDM à 400 Gbps ou 1 Tbps

Etudes de récepteurs MIMO-LDPC itératifs

L objectif de cette thèse est l étude de récepteurs MIMO LDPC itératifs. Les techniques MIMO permettent d augmenter la capacité des réseaux sans fil sans la nécessité de ressources fréquentielles additives. Associées aux schémas de modulations multiporteuses CP-OFDM, les techniques MIMO sont ainsi devenues la pierre angulaire pour les systèmes sans fil à haute efficacité spectrale. La réception optimale peut être obtenue à l aide d une réception conjointe (Egalisation/Décodage). Étant très complexe, la réception conjointe n est pas envisagée et l égalisation et le décodage sont réalisés disjointement au coût d une dégradation significative en performances. Entre ces deux solutions, la réception itérative trouve son intérêt pour sa capacité à s approcher des performances optimales avec une complexité réduite. La conception de récepteurs itératifs pour certaines applications, de type WiFi à titre d exemple doit respecter la structure du code imposée par la norme. Ces codes ne sont pas optimisés pour des récepteurs itératifs. En observant l effet du nombre d' itérations dans le processus itératif, on montre par simulation que l ordonnancement des itérations décodage LDPC/Turbo-égalisation joue un rôle important dans la complexité et le délai du récepteur. Nous proposons de définir des ordonnancements permettant de réduire la complexité globale du récepteur. Deux approches sont proposées, une approche statique ainsi qu'une autre dynamique. Ensuite nous considérons un système multi-utilisateur avec un accès multiple par répartition spatiale. Nous étudions l intérêt de la réception itérative dans ce contexte tenant en compte la différence de puissance signale utile/interférence.The aim of this thesis is to address the design of iterative MIMO receivers using LDPC Error Correcting codes. MIMO techniques enable capacity increase in wireless networks with no additional frequency ressources. The associationof MIMO with multicarrier modulation techniques OFDM made them the cornerstone of emerging high rate wireless networks. Optimal reception can be achieved using joint detection and decoding at the expense of a huge complexity making it impractical. Disjoint reception is then the most used. The design of iterative receivers for some applications using LDPC codes like Wifi (IEEE 802.11n) is constrained by the standard code structure which is not optimized for such kind of receivers. By observing the effect of the number of iterations on performance and complexity we underline the interest of scheduling LDPC decoding iterations and turboequalization iterations. We propose to define schedules for the iterative receiver in order to reduce its complexity while preserving its performance. Two approaches are used : static and dynamic scheduling. The second part of this work is concerns Multiuser MIMO using Spatial Division Multiple Access. We explore and evaluate the interest of using iterative reception to cancel residual inter-user interference.PARIS-Télécom ParisTech (751132302) / SudocSudocFranceF