Optimal transmit filters for constrained complexity channel shortening detectors

We consider intersymbol interference channels with reduced-complexity, mutual information optimized, channel shortening detectors. For a given channel and receiver complexity, we optimize the transmit filter to use. The cost function we consider is the (Shannon) achievable information rate of the entire transceiver system. By functional analysis, we can establish a general form of the optimal transmit filter, which can then be optimized by standard numerical methods. As a side result, we also obtain an insight of the behaviour of the standard waterfilling algorithm for intersymbol interference channels

High-performance signal acquisition algorithms for wireless communications receivers

Due to the uncertainties introduced by the propagation channel, and RF and mixed signal circuits imperfections, digital communication receivers require efficient and robust signal acquisition algorithms for timing and carrier recovery, and interfer- ence rejection. The main theme of this work is the development of efficient and robust signal synchronization and interference rejection schemes for narrowband, wideband and ultra wideband communications systems. A series of novel signal acquisition schemes together with their performance analysis and comparisons with existing state-of-the- art results are introduced. The design effort is first focused on narrowband systems, and then on wideband and ultra wideband systems. For single carrier modulated narrowband systems, it is found that conventional timing recovery schemes present low efficiency, e.g., certain feedback timing recov- ery schemes exhibit the so-called hang-up phenomenon, while another class of blind feedforward timing recovery schemes presents large self-noise. Based on a general re- search framework, we propose new anti-hangup algorithms and prefiltering techniques to speed up the feedback timing recovery and reduce the self-noise of feedforward tim- ing estimators, respectively. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique is well suited for wideband wireless systems. However, OFDM receivers require high performance car-rier and timing synchronization. A new coarse synchronization scheme is proposed for efficient carrier frequency offset and timing acquisition. Also, a novel highly accurate decision-directed algorithm is proposed to track and compensate the residual phase and timing errors after the coarse synchronization step. Both theoretical analysis and computer simulations indicate that the proposed algorithms greatly improve the performance of OFDM receivers. The results of an in-depth study show that a narrowband interference (NBI) could cause serious performance loss in multiband OFDMbased ultra-wideband (UWB) sys- tems. A novel NBI mitigation scheme, based on a digital NBI detector and adaptive analog notch filter bank, is proposed to reduce the effects of NBI in UWB systems. Simulation results show that the proposed NBI mitigation scheme improves signifi- cantly the performance of a standard UWB receiver (this improvement manifests as a signal-to-noise ratio (SNR) gain of 9 dB)

Spectrum Adaptation in Cognitive Radio Systems with Operating Constraints

The explosion of high-data-rate-demanding wireless applications such as smart-phones and wireless Internet access devices, together with growth of existing wireless services, are creating a shortage of the scarce Radio Frequency (RF) spectrum. However, several spectrum measurement campaigns revealed that current spectrum usage across time and frequency is inefficient, creating the artificial shortage of the spectrum because of the traditional exclusive command-and-control model of using the spectrum. Therefore, a new concept of Cognitive Radio (CR) has been emerging recently in which unlicensed users temporarily borrow spectrum from the licensed Primary Users (PU) based on the Dynamic Spectrum Access (DSA) technique that is also known as the spectrum sharing concept. A CR is an intelligent radio system based on the Software Defined Radio platform with artificial intelligence capability which can learn, adapt, and reconfigure through interaction with the operating environment. A CR system will revolutionize the way people share the RF spectrum, lowering harmful interference to the licensed PU of the spectrum, fostering innovative DSA technology and giving people more choices when it comes to using the wireless-communication-dependent applications without having any spectrum congestion problems. A key technical challenge for enabling secondary access to the licensed spectrum adaptation is to ensure that the CR does not interfere with the licensed incumbent users. However, incumbent user behavior is dynamic and requires CR systems to adapt this behavior in order to maintain smooth information transmission. In this context, the objective of this dissertation is to explore design issues for CR systems focusing on adaptation of physical layer parameters related to spectrum sensing, spectrum shaping, and rate/power control. Specifically, this dissertation discusses dynamic threshold adaptation for energy detector spectrum sensing, spectrum allocation and power control in Orthogonal Frequency Division Multiplexing-(OFDM-)based CR with operating constraints, and adjacent band interference suppression techniques in turbo-coded OFDM-based CR systems

PRE-FILTERING IN MC-CDMA DOWNLINK TRANSMISSIONS

Future wireless communication systems are expected to support high-speed and high-quality multimedia services. In theseapplications the received signal is typically affected byfrequency-selective fading, which must be properly counteracted toavoid a severe degradation of the system performance. MC-CDMA is a multiplexing technique that combines OFDM with direct sequence CDMA. It is robust to frequency-selective fading thanks to the underlying OFDM modulation and exploits frequency diversity by spreading the data of different users in the frequency domain. For these reasons it is considered as a promising candidate for the physical layer of future high-speed wireless communications. Recent publications show that MC-CDMA is particularly suitable for downlink transmissions, i.e., from the base station to the mobile terminals. In these applications orthogonal spreading codes are usually employed to provide protection against co-channel interference. In the presence of multipath propagation, however, signals undergo frequency-selective fading and the code orthogonality is lost. This gives rise to multiple-access interference, which strongly limits the system performance. In the past few years several advanced multi-user detection techniques have been proposed and discussed for interference mitigation. However, in spite of their effectiveness, all these methods are quite unattractive for downlink applications since they would entail high complexity and excessive power consumption at the remote units. As an alternative to multi-user detection, pre-filtering techniques can be employed in downlink transmissions to mitigate multiple-access interference and channel distortions. The idea behind pre-filtering is to vary the gain assigned to each subcarrier so that interference is reduced and the signal at the receiver appears undistorted. In this way, simple and low complex single-user detectors can be employed at the remote units, thereby moving most of the computational burden to the base station, where power consumption and computational resources are not critical issues. In general terms, the main contribution of this dissertation is threefold. First, we propose and discuss several linear and non-linear pre-filtering schemes for the downlink of MC-CDMA systems equipped with multiple transmit antennas and operating in a time-division-duplex mode. The resulting schemes are derived according to different optimization criteria and aim at combating the detrimental effects of MAI while maintaining the complexity of the remote units as low as possible. A second contribution comes from providing a unified framework for investigating pre-filtering in the downlink of both MC-CDMA and OFDMA systems. The use of a unified framework comprising both MC-CDMA and OFDMA allows a fair comparison between these multiple-access technologies under the same operating conditions. It turns out that OFDMA outperforms MC-CDMA when the system resources are optimally assigned to the active users according to the actual channel realization. As we shall see, in order to work properly, all the proposed schemes require explicit knowledge of the channel responses of the active users. In time-division-duplex systems this information can be achieved by exploiting the channel reciprocity between alternative uplink and downlink transmissions. If channel variations are sufficiently slow, the channel estimates of the active users can be derived at the base station during an uplink time-slot and reused for pre-filtering in the subsequent downlink time-slot. Thus, a third contribution comes from addressing the problem of channel acquisition in the uplink of an MC-CDMA system equipped with multiple receive antennas

Retournement temporel : application aux réseaux mobiles

This thesis studies the time reversal technique to improve the energy efficiency of future mobile networks and reduce the cost of future mobile devices. Time reversal technique consists in using the time inverse of the propagation channel impulse response (between a transceiver and a receiver) as a prefilter. Such pre-filtered signal is received with a stronger power (this is spatial focusing) and with a strong main echo, relatively to secondary echoes (this is time compression). During a previous learning phase, the transceiver estimates the channel by measuring the pilot signal emitted by the receiver. Space-time focusing is obtained only at the condition that the propagation remains identical between the learning phase and the data transmission phase: this is the ‘channel reciprocity’ condition. Numerous works show that spatial focusing allows for the reduction of the required transmit power for a given target received power, on the one hand, and that time compression allow for the reduction of the required complexity at the receiver side to handle multiple echoes, on the other hand. However, studies on complexity reduction are limited to ultra wideband. Some works of this thesis (based on simulations and experimental measurements) show that, for bands which are more typical for future networks (a carrier frequency of 1GHz and a spectrum of 30 MHz to 100 MHz), thanks to time reversal, a simple receiver and a mono-carrier signal are sufficient to reach high data rates. Moreover, the channel reciprocity condition is not verified in two scenarios which are typical from mobile networks. Firstly, in most European mobile networks, the frequency division duplex mode is used. This mode implies that the transceiver and the receiver communicate on distinct carriers, and therefore through different propagation channels. Secondly, when considering a receiver on a moving connected vehicle, the transceiver and the receiver communicate one with each other at distinct instants, corresponding to distinct positions of the vehicles, and therefore through different propagation channels. Some works of this thesis propose solutions to obtain space-time focusing for these two scenarios. Finally, some works of this thesis explore the combination of time reversal with other recent signal processing techniques (spatial modulation, on the one hand, a new multi-carrier waveform, on the other hand), or new deployment scenarios (millimeter waves and large antenna arrays to interconnect the nodes of an ultra dense network) or new applications (guidance and navigation) which can be envisaged for future mobile networks.Cette thèse étudie la technique dite de ‘Retournement Temporel’ afin d’améliorer l’efficacité énergétique des futurs réseaux mobiles d’une part, et réduire le coût des futurs terminaux mobiles, d’autre part. Le retournement temporel consiste à utiliser l’inverse temporel de la réponse impulsionnelle du canal de propagation entre un émetteur et un récepteur pour préfiltrer l’émission d’un signal de données. Avantageusement, le signal ainsi préfiltré est reçu avec une puissance renforcée (c’est la focalisation spatiale) et un écho principal qui est renforcé par rapport aux échos secondaires (c’est la compression temporelle). Lors d’une étape préalable d’apprentissage, l’émetteur estime le canal en mesurant un signal pilote provenant du récepteur. La focalisation spatiotemporelle n’est obtenue qu’à condition que la propagation demeure identique entre la phase d’apprentissage et la phase de transmission de données : c’est la condition de ‘réciprocité du canal’. De nombreux travaux montrent que la focalisation spatiale permet de réduire la puissance émise nécessaire pour atteindre une puissance cible au récepteur d’une part, et que la compression temporelle permet de réduire la complexité du récepteur nécessaire pour gérer l’effet des échos multiples, d’autre part. Cependant, les études sur la réduction de la complexité du récepteur se limitent à l’ultra large bande. Des travaux de cette thèse (basés sur des simulations et des mesures expérimentales) montrent que pour des bandes de fréquences plus typiques des futurs réseaux mobiles (fréquence porteuse à 1GHz et spectre de 30 MHz à 100 MHz), grâce au retournement temporel, un récepteur simple et un signal monoporteuse suffisent pour atteindre de hauts débits. En outre, la condition de réciprocité du canal n’est pas vérifiée dans deux scénarios typiques des réseaux mobiles. Tout d’abord, dans la plupart des réseaux mobiles européens, le mode de duplex en fréquence est utilisé. Ce mode implique que l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre sur des fréquences porteuses distinctes, et donc à travers des canaux de propagations différents. De plus, lorsqu’on considère un récepteur sur un véhicule connecté en mouvement, l’émetteur et le récepteur communiquent l’un avec l’autre à des instants distincts, correspondants à des positions distinctes du véhicule, et donc à travers des canaux de propagations différents. Des travaux de cette thèse proposent des solutions pour obtenir la focalisation spatio-temporelle dans ces deux scenarios. Enfin, des travaux de la thèse explorent la combinaison du retournement temporel avec d’autres techniques de traitement de signal récentes (la modulation spatiale, d’une part, et une nouvelle forme d’onde multiporteuse, d’autre part), ou des scenarios de déploiement nouveaux (ondes millimétriques et très grands réseaux d’antennes pour inter-connecter les noeuds d’un réseau ultra dense) ou de nouvelles applications (guidage et navigation) envisageables pour les futurs réseaux mobiles

Design and Analysis of GFDM-Based Wireless Communication Systems

Le multiplexage généralisé par répartition en fréquence (GFDM), une méthode de traitement par blocs de modulation multiporteuses non orthogonales, est une candidate prometteuse pour les technologies de forme d'onde pour les systèmes sans fil au-delà de la cinquième génération (5G). La capacité du GFDM à ajuster de manière flexible la taille du bloc et le type de filtres de mise en forme des impulsions en fait une méthode appropriée pour répondre à plusieurs exigences importantes, comme une faible latence, un faible rayonnement hors bande (OOB) et des débits de données élevés. En appliquant aux systèmes GFDM la technique des systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la technique de MIMO massif ou des codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC), il est possible d'améliorer leurs performances. Par conséquent, l'étude de ces systèmes combinés sont d'une grande importance théorique et pratique. Dans cette thèse, nous étudions les systèmes de communication sans fil basés sur le GFDM en considérant trois aspects. Tout d'abord, nous dérivons une borne d'union sur le taux d'erreur sur les bits (BER) pour les systèmes MIMO-GFDM, technique qui est basée sur des probabilités d'erreur par paires exactes (PEP). La PEP exacte est calculée en utilisant la fonction génératrice de moments(MGF) pour les détecteurs à maximum de vraisemblance (ML). La corrélation spatiale entre les antennes et les erreurs d'estimation de canal sont prises en compte dans l'environnement de canal étudié. Deuxièmement, les estimateurs et les précodeurs de canal de faible complexité basés sur une expansion polynomiale sont proposés pour les systèmes MIMO-GFDM massifs. Des pilotes sans interférence sont utilisés pour l'estimation du canal basée sur l'erreur quadratique moyenne minimale(MMSE) pour lutter contre l'influence de la non-orthogonalité entre les sous-porteuses dans le GFDM. La complexité de calcul cubique peut être réduite à une complexité d'ordre au carré en utilisant la technique d'expansion polynomiale pour approximer les inverses de matrices dans l'estimation MMSE conventionnelle et le précodage. De plus, nous calculons les limites de performance en termes d'erreur quadratique moyenne (MSE) pour les estimateurs proposés, ce qui peut être un outil utile pour prédire la performance des estimateurs dans la région de Eₛ/N₀ élevé. Une borne inférieure de Cramér-Rao(CRLB) est dérivée pour notre modèle de système et agit comme une référence pour les estimateurs. La complexité de calcul des estimateurs de canal proposés et des précodeurs et les impacts du degré du polynôme sont également étudiés. Enfin, nous analysons les performances de la probabilité d'erreur des systèmes GFDM combinés aux codes LDPC. Nous dérivons d'abord les expressions du ratio de vraisemblance logarithmique (LLR) initiale qui sont utilisées dans le décodeur de l'algorithme de somme de produits (SPA). Ensuite, basé sur le seuil de décodage, nous estimons le taux d'erreur de trame (FER) dans la région de bas E[indice b]/N₀ en utilisant le BER observé pour modéliser les variations du canal. De plus, une borne inférieure du FER du système est également proposée basée sur des ensembles absorbants. Cette borne inférieure peut agir comme une estimation du FER dans la région de E[indice b]/N₀ élevé si l'ensemble absorbant utilisé est dominant et que sa multiplicité est connue. La quantification a également un impact important sur les performances du FER et du BER. Des codes LDPC basés sur un tableau et construit aléatoirement sont utilisés pour supporter les analyses de performances. Pour ces trois aspects, des simulations et des calculs informatiques sont effectués pour obtenir des résultats numériques connexes, qui vérifient les méthodes proposées.8 372162\u a Generalized frequency division multiplexing (GFDM) is a block-processing based non-orthogonal multi-carrier modulation scheme, which is a promising candidate waveform technology for beyond fifth-generation (5G) wireless systems. The ability of GFDM to flexibly adjust the block size and the type of pulse-shaping filters makes it a suitable scheme to meet several important requirements, such as low latency, low out-of-band (OOB) radiation and high data rates. Applying the multiple-input multiple-output (MIMO) technique, the massive MIMO technique, or low-density parity-check (LDPC) codes to GFDM systems can further improve the systems performance. Therefore, the investigation of such combined systems is of great theoretical and practical importance. This thesis investigates GFDM-based wireless communication systems from the following three aspects. First, we derive a union bound on the bit error rate (BER) for MIMO-GFDM systems, which is based on exact pairwise error probabilities (PEPs). The exact PEP is calculated using the moment-generating function (MGF) for maximum likelihood (ML) detectors. Both the spatial correlation between antennas and the channel estimation errors are considered in the investigated channel environment. Second, polynomial expansion-based low-complexity channel estimators and precoders are proposed for massive MIMO-GFDM systems. Interference-free pilots are used in the minimum mean square error (MMSE) channel estimation to combat the influence of non-orthogonality between subcarriers in GFDM. The cubic computational complexity can be reduced to square order by using the polynomial expansion technique to approximate the matrix inverses in the conventional MMSE estimation and precoding. In addition, we derive performance limits in terms of the mean square error (MSE) for the proposed estimators, which can be a useful tool to predict estimators performance in the high Eₛ/N₀ region. A Cramér-Rao lower bound (CRLB) is derived for our system model and acts as a benchmark for the estimators. The computational complexity of the proposed channel estimators and precoders, and the impacts of the polynomial degree are also investigated. Finally, we analyze the error probability performance of LDPC coded GFDM systems. We first derive the initial log-likelihood ratio (LLR) expressions that are used in the sum-product algorithm (SPA) decoder. Then, based on the decoding threshold, we estimate the frame error rate (FER) in the low E[subscript b]/N₀ region by using the observed BER to model the channel variations. In addition, a lower bound on the FER of the system is also proposed based on absorbing sets. This lower bound can act as an estimate of the FER in the high E[subscript b]/N₀ region if the absorbing set used is dominant and its multiplicity is known. The quantization scheme also has an important impact on the FER and BER performances. Randomly constructed and array-based LDPC codes are used to support the performance analyses. For all these three aspects, software-based simulations and calculations are carried out to obtain related numerical results, which verify our proposed methods

Joint signal detection and channel estimation in rank-deficient MIMO systems

L'évolution de la prospère famille des standards 802.11 a encouragé le développement des technologies appliquées aux réseaux locaux sans fil (WLANs). Pour faire face à la toujours croissante nécessité de rendre possible les communications à très haut débit, les systèmes à antennes multiples (MIMO) sont une solution viable. Ils ont l'avantage d'accroître le débit de transmission sans avoir recours à plus de puissance ou de largeur de bande. Cependant, l'industrie hésite encore à augmenter le nombre d'antennes des portables et des accésoires sans fil. De plus, à l'intérieur des bâtiments, la déficience de rang de la matrice de canal peut se produire dû à la nature de la dispersion des parcours de propagation, ce phénomène est aussi occasionné à l'extérieur par de longues distances de transmission. Ce projet est motivé par les raisons décrites antérieurement, il se veut un étude sur la viabilité des transcepteurs sans fil à large bande capables de régulariser la déficience de rang du canal sans fil. On vise le développement des techniques capables de séparer M signaux co-canal, même avec une seule antenne et à faire une estimation précise du canal. Les solutions décrites dans ce document cherchent à surmonter les difficultés posées par le medium aux transcepteurs sans fil à large bande. Le résultat de cette étude est un algorithme transcepteur approprié aux systèmes MIMO à rang déficient

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