Efficient time domain threshold for sparse channel estimation in OFDM system

International audienceA novel efficient time domain threshold based sparse channel estimation technique is proposed for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. The proposed method aims to realize effective channel estimation without prior knowledge of channel statistics and noise standard deviation within a comparatively wide range of sparsity. Firstly, classical least squares (LS) method is used to get an initial channel impulse response (CIR) estimate. Then, an effective threshold, estimated from the noise coefficients of the initial estimated CIR, is proposed. Finally, the obtained threshold is used to select the most significant taps. Theoretical analysis and simulation results show that the proposed method achieves better performance in both BER (bit error rate) and NMSE (normalized mean square error) than the compared methods, has good spectral efficiency and moderate computational complexity

Techniques d'émission multi-antennes pour les systèmes de radio-communication à duplex temporel

Le travail présenté consiste à développer et appliquer des techniques d'émission multi-antennes afin d'améliorer les performances sur la liaison descendante de l'UMTS-TDD. Les méthodes étudiées reposent sur la connaissance a priori des canaux de propagation. Leurs performances ont été évaluées en utilisant des canaux simulés à l'aide de modèles proposés pour l'UMTS et des canaux réels obtenus lors d'une campagne de mesures.Les méthodes de formation de voies classiques ne prenant pas en compte l'interférence inter-symboles, leurs performances sont limitées. Nous avons alors proposé une méthode originale réduisant conjointement l'interférence multi-utilisateurs et l'interférence inter-symboles. Les performances des méthodes d'émission ont ensuite été analysées dans des conditions réalistes et le gain de capacité apporté par le traitement d'antenne a également été étudié.The purpose of this work consists in developing and applying some antenna array transmission techniques to improve the downlink performances of the UMTS-TDD. The studied methods are based on the a priori knowledge of the propagation channels. Their performances have been evaluated by using simulated channels with the models proposed for the UMTS and real channels obtained during a measurement campaign. The performances of the classical beamforming methods are limited because they do not take into account the inter-symbol interference. We have then proposed an original method wich reduces jointly the multiple access interference and the inter-symbol interference. Finally, the performances of the transmission methods are analysed with realistic conditions and the capacity gain brought by the array processing has been studied.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Traitements multi-antennes (application aux terminaux de troisième génération)

L'objectif de la future génération de téléphones cellulaires est d'offrir des services multimédia (accès Internet haut débit, vidéo, services de musique en qualité CD). De nombreux facteurs comme la propagation ou le bruit limitent les performances en qualité et capacité. L'objectif de cette thèse est d'évaluer par une étude système l'apport d'un traitement multi-antennes pour les produits destinés à l'UMTS, afin de donner des éléments de spécifications. Le travail concerne le traitement bande de base (RAKE 2D, égalisation multi-capteur) et son optimisation via la simulation et la théorie. La solution la plus avantageuse consiste à dégager un compromis entre performance et complexité. La dernière partie est consacrée au récepteur RF multi-antennes. Différentes hypothèses sur la configuration du système antennaire ont été étudiées à partir du démonstrateur réalisé au sein du laboratoire.The main purpose of the next generation of cellular system is to offer high-speed Internet access, data, video and CD-quality music services. Numerous factor have a bad influence on capacity and the quality, these include propagation effects and noise. The goal of this thesis is to assess the benefit for adding several antennas in an enabled UMTS product, in order to provide some specifications. The system study performed in the simulator SPW. The greater part of this work was focused on the base-band part (2D RAKE, multi-antenna equalisation) and its optimisation through analytical and simulation results. The performance improvement has been balanced against the complexity ; the most promise solution produce the best trade-off between complexity and performance. The last part is devoted to the multi-antenna RF receiver. Several assumptions on the antenna system configuration have beeen studied from the hardware demonstrator realised within the laboratory.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

PAPR Distribution for Single Carrier M-QAM Modulations

International audienceSingle carrier modulations such as quadrature amplitude modulation (QAM) are recently becoming an attractive and complementary alternative to multiple carrier modulations. High order QAM provides spectral efficiency advantage at the price of larger dynamic range. This characteristic leads to enlarge the peak-to-average power ratio (PAPR) and so, to reduce the energy efficiency. This study provides an analysis of the PAPR distribution for QAM based systems. We focus on the distribution of the PAPR since it is the main evaluation means of PAPR reduction techniques. We present an analytic expression of the probability density function of the PAPR for limited length frames. The analysis shows that the expression of the PAPR usually found in the literature is valid only for long frames and is the asymptotic limit of the formula we propose. According to the simulation results, the distribution we suggest accurately describes the PAPR for long frames and is a good approximation for short frames

Amélioration des performances d'un système MIMO par l'exploitation des propriétés des signaux de télécommunication

Les travaux présentés dans ce document se concentrent sur les techniques de détection du signal dans un système MIMO. Le domaine des applications visées est celui de télécommunications. Le but est d améliorer les performances du système MIMO en termes de taux d erreur binaire, de robustesse à la configuration de réseaux d antennes et de complexité de calcul. L originalité de cette thèse réside dans l exploitation des propriétés des signaux et des propriétés des canaux. Les signaux utilisés dans les systèmes de télécommunications possèdent certaines caractéristiques inhérentes liées à leur structure et leur modulation. De plus, pour les canaux à évanouissements aléatoires, l évanouissement pour chaque sous-canal est différent. Partons de ce constat, nous proposons dans ce travail de thèse plusieurs méthodes originales de détection en exploitant la caractéristique non-circulaire ou les propriétés des canaux. Finalement, une méthode adaptative est proposée en exploitant conjointement des propriétés des signaux et des canaux. Des simulations sont présentées afin de montrer le bénéfice apporté par chacune des méthodes proposées.In this thesis, we focus our work on the signal detection in MIMO systems which is a widely studied topic in telecommunications. The main objective of this thesis is to improve the performances of MIMO systems in terms of bit error rate, complexity and robustness. The original contribution of this work consists in the exploitation of the properties of the transmitted signal or channel. In fact, the signals employed in telecommunication systems have several properties due to their structures and modulations, and the channel fading is different for each sub-channel. This is the start point and motivation for this work. We have proposed several original detection methods in this thesis, some of them exploit the signal properties and the others take advantage of the channel properties. Finally, an adaptive detector is proposed by jointly exploiting the properties of signal and channel. Simulation results are presented to show the improvement achieved by the proposed methods, in comparison with the conventional methods which do not use the properties of signal or channel.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Energy efficiency, synchronization and power control for the implementation of cooperative communications in wireless sensor networks

In this dissertation, we explore the energy efficiency and low complex implementation of cooperative schemes in wireless sensor networks. Considering the requirement on signal arrival time synchronization, we proposed a physical layer synchronization scheme for the distributed MISO cooperative communication in wireless sensor networks. The proposed scheme is adequate for the cooperative communication but introduces less complexity to the network design. It provides better BER performance in the existence of initial synchronization error. According to the simulation results, it is supposed to be practically implemented in the sensor nodes. Upon this assumption, optimal power allocation strategies for AF cooperative relaying scheme and distributed MISO cooperative scheme are proposed for cooperative communication in wireless sensor networks. With a given requirement on BER performance, they help to minimize the total transmit power in Rayleigh fading channel. Moreover, without direct link between the source and destination nodes, we proposed two energy efficient cooperative strategies to incorporate the AF cooperative relaying and distributed MISO cooperative schemes. A heuristic policy to select the cooperative nodes and choose the appropriate cooperative strategy is derived. Furthermore, we analyzed the energy efficiency of three error control protocols considering SISO AWGN for short distance communication and MISO Rayleigh fading for long distance communication. We proposed thresholds of the coding gain for various code rates to make the hybrid ARQ protocol more energy efficient.L'objectif de cette thèse est d'étudier la mise en œuvre à faible complexité et l'efficacité énergétique de systèmes coopératifs dans les réseaux de capteurs sans fil. La synchronisation temporelle est cruciale pour cette mise en œuvre. Nous proposons un schéma de synchronisation au niveau de la couche physique qui introduit une augmentation modérée de la complexité des calculs et de l'occupation mémoire. Le schéma proposé offre de bonnes performances en termes de taux d'erreur en présence d'une erreur initiale de synchronisation et est facile à implémenter au niveau des nœuds. Nous proposons également une stratégie d'allocation de puissance optimale pour les communications coopératives dans les réseaux de capteurs sans fil. Pour une contrainte de probalité d'erreur, elle contribue à réduire la puissance de transmission totale dans le cas d'un canal de Rayleigh. En outre, en l'absence de lien direct entre les nœuds source et de destination, nous proposons deux stratégies coopératives efficaces en énergie. Une démarche heuristique pour sélectionner les nœuds coopératifs et choisir la communication coopérative appropriée est proposée. Par ailleurs, nous analysons l'efficacité énergétique de trois protocoles de contrôle d'erreur dans les réseaux de capteurs sans fil, dans le cas d'un système SISO avec canal à bruit blanc additif gaussien pour les communications à courte distance et d'un système MISO avec canal Rayleigh pour les communications à longue distance. En fonction du taux de code, nous proposons des seuils sur le gain de codage permettant de rendre les protocoles de contrôle d'erreurs plus efficaces en énergie.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Autonomous, Short range Communication device

International audienceWe consider an application where we want todetermine the orientation of a battery-less device (a dice). Thepassive system is supplied with power and the communication isobtain through the change of the load, providing a short rangeautonomous communication and power transfer. Modeling ofsuch system is crucial for the analysis of the task for the detectionof the orientation with or without the need of sensor. The energyharvesting is one of the crucial step in achieving the goal ofthe such system and it is important to determine the impact ofparameters such as distance, current and size in the system.Index Terms—wireless power transfer, magnetic field density,coupling factor, resonance frequency

Protection inégale pour la transmission d'images et vidéo codées en Jpeg 2000 sur les canaux sans fil

La protection des données dans les systèmes multimédia sans fil est un enjeu majeur. Ainsi, le nouveau standard de représentation d image JPEG 2000 spécifie dans sa onzième partie (JPEG 2000 sans fil), des techniques de protection afin d améliorer la robustesse des images et vidéos JPEG 2000 contre les erreurs de transmission dans ces réseaux. Bien que la norme JPEG 2000 définisse les codes de Reed-Solomon (RS) à utiliser, elle ne spécifie pas de méthodes de sélection de ces codes. Dans cette étude nous analysons des traces réelles de canaux sans fil de type 802.11 puis nous en déduisons un modèle comportemental d erreur au niveau applicatif dans les réseaux sans fil (modèle de Gilbert). A partir des modèles de Gilbert obtenus, nous proposons une méthodologie de compensation de perte a priori qui consiste à sélectionner empiriquement les codes RS. Nous montrons que les performances en termes de Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) de la méthodologie de compensation de perte a priori sont supérieures à celles d une transmission sans protection. Toutefois, l efficacité de la méthodologie de compensation de perte a priori est limitée car cette dernière n est pas en mesure d adapter le niveau de protection des données aux changements de l environnement de transmission. Nous proposons alors une méthodologie de compensation de perte dynamique qui est basée sur la protection inégale des couches de qualité des images et vidéos JPEG 2000. Cette méthode offre des performances de l ordre de 10% supérieures aux méthodes proposées dans la littérature telles que la méthode de protection proposée par Zhaohui Guo et al tant en termes de PSNR que de taux de décodage d image avec succès. Malgré l avantage que présentent ces méthodes du fait de leur faible complexité ces méthodes sont sub-optimales car elles n exploitent pas la différence entre les paquets d une même couche de qualité. Nous proposons alors une méthodologie de compensation de perte optimale basée sur la protection inégale des paquets JPEG 2000. Pour des canaux fortement perturbés et pour des images constituées d un nombre raisonnable de paquets JPEG 2000 (inférieur à 1000 paquets), la compensation de perte optimale offre des performances supérieures aux techniques précédentes tout en offrant l avantage d être légèrement plus complexe. Au-delà des méthodologies de protection proposée, notre étude se veut être un pas vers la garantie de Qualité de Service (QoS) dans les applications multimédia sans filNowadays, data protection against transmission errors in wireless multimedia systems is a crucial issue. JPEG 2000, the new image representation system, addresses this issue by defining in its 11th part (Wireless JPEG 2000 - JPWL) some tools such as Forward Error Correction with Reed-solomon (RS) codes in order to enhance the robustness of JPEG 2000 based images and videos against transmission errors. Although JPWL defines a set of RS codes for data protection, it does not specify how to select those codes in order to handle error rate in wireless multimedia systems. In our work, based on the analysis of 802.11 based Ad-hoc network traces, we first derive application level channel models (Gilbert model). Then, we propose a methodology for JPEG 2000 images and videos protection with a priori and empiric channel code rate selection. We highlight the interest of the a priori FEC allocation methodology by comparing it to non protected data transmission. We show that the effectiveness of the proposed scheme can be drastically reduced when the channel state changes because the FEC rate allocation is not adaptative. In this context, we propose a dynamic FEC rate allocation methodology which is a layer-based unequal error protection scheme. We demonstrate the effectiveness of this scheme thanks to a wireless client/server JPEG 2000 based images and video streaming application. The dynamic FEC rate allocation scheme overcomes in order of 10% other existing schemes such as the layer-based unequal error protection scheme proposed by Zhaohoui Guo et al both in terms of Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) and successful image decoding rate. However, despite their effectiveness layer-based schemes are sub-optimal because they do not take into account the importance of data packets which limits their performances particularly in highly varying environments. We then propose an optimal FEC rate allocation methodology which is a packet-based unequal error protection scheme. The proposed scheme is slightly more complex than layer-based schemes as far as the number of packets constituting the JPEG 2000 image is low (under 1000 packets) and it offers superior performances in terms of PSNR and successful decoding rate. However, if the number of JPEG 2000 packet is significantly important (more than 1000 packets) the optimal methodology can be inefficient for real-time streaming application due it complexity. Beyond the proposition of FEC rate allocation methodologies, our work can be viewed as a step toward the guaranty of Quality of Service (QoS) in wireless multimedia applicationsNANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Implantation d'algorithmes de commande sur FPGA (une méthodologie pour les systèmes électriques)

L'apparition ces dernières années de nouveaux composants FPGA, possédant des capacités fortement accrues et proposés à des prix très compétitifs, a fait de ces composants une alternative très sérieuse aux solutions logicielles dans le domaine de la commande numérique des systèmes électriques. Cependant, si l'implémentation sur des cibles logicielles est abondamment documentée, que ce soit dans des travaux scientifiques ou des notes d'application de constructeurs, l'implémentation matérielle l'est beaucoup moins. Pour réduire le temps de développement d'une application sur FPGA et travailler avec plus d'efficacité, il est pourtant nécessaire de disposer d'une méthodologie rationnelle, qui guide le concepteur pendant toutes les phases de conception. C'est dans ce sens qu'une méthodologie de mise en œuvre des algorithmes de commande numérique des systèmes électriques sur FPGA a été proposée. Sa validité a été testée sur différents algorithmes de commande numérique des machines électriques, notamment la variation de vitesse et de courant de la machine à courant continu ainsi que la commande scalaire de la machine asynchrone. Les résultats obtenus montrent l'intérêt de notre méthodologie pour réduire le temps de conception. L'implémentation de la MLI vectorielle est l'un des algorithmes qui montre que les FPGA conviennent particulièrement pour la commande des systèmes électriques. Une comparaison entre l'implémentation de cet algorithme sur microcontrôleur et sur FPGA a donc été réalisée.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

A RSSI-based parameter tracking strategy for constrained position localization

Abstract In this paper, a received signal strength indicator (RSSI)-based parameter tracking strategy for constrained position localization is proposed. To estimate channel model parameters, least mean squares method (LMS) is associated with the trilateration method. In the context of applications where the positions are constrained on a grid, a novel tracking strategy is proposed to determine the real position and obtain the actual parameters in the monitored region. Based on practical data acquired from a real localization system, an experimental channel model is constructed to provide RSSI values and verify the proposed tracking strategy. Quantitative criteria are given to guarantee the efficiency of the proposed tracking strategy by providing a trade-off between the grid resolution and parameter variation. The simulation results show a good behavior of the proposed tracking strategy in the presence of space-time variation of the propagation channel. Compared with the existing RSSI-based algorithms, the proposed tracking strategy exhibits better localization accuracy but consumes more calculation time. In addition, a tracking test is performed to validate the effectiveness of the proposed tracking strategy