Systèmes MIMO (" Multiple Input Multiple Output ") à porteuses multiples :Etude et optimisation de la combinaison de codes temps-espace et des techniques MC-CDMA (" Multi-carrier code division multiple access ")

Dans la recherche de modulations adaptées à la voie descendante des systèmes cellulaires 4G, les systèmes MC-CDMA s'affirment comme des solutions à fort potentiel. En parallèle, les systèmes MIMO constituent une nouvelle voie très prometteuse améliorant notablement l'efficacité spectrale des systèmes hertziens via la dimension spatiale. Cette thèse porte sur l'optimisation de systèmes MIMO/MCCDMA par l'étude des codes temps-espace en blocs ou en treillis. Après un état de l'art, nous proposons de nouveaux codes STBC orthogonaux, puis une représentation des STTC basée sur une notation polynômiale permettant la comparaison des codes existants. La combinaison STBC/MC-CDMA étudiée améliore sensiblement les performances d'un système MC-CDMA SISO avec un décodage peu complexe. Leur optimisation repose sur des techniques de détection mono-utilisateurs ou multi-utilisateurs. Leur performances sont évaluées sur des canaux théoriques ou réalistes. Enfin, la combinaison STTC/MC-CDMA est étudiée.In the context of the research of new modulation schemes for the downlink of the 4th Generation mobile radio systems, the MC-CDMA schemes are the most promising candidates. On the other hand, MIMO systems inherit space diversity to mitigate fading effects and improve dramatically the spectrum efficiency. This thesis deals with the optimisation of MIMO/MC-CDMA systems through the use of space-time block coding or trellis coding. We propose new orthogonal STBC and a new representation of STTC based on a polynomial notation. The studied STBC/MC-CDMA systems improve the performance of a MC-CDMA SISO system with a low complex decoding. Their optimisation is based on single-user and multiple-user detection schemes. Their performance are evaluated on theoretical and realistic channels. Finally, the STTC/MC-CDMA is studied.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Stratégies d allocation des ressources et optimisation de solutions OFDM avec précodage linéaire pour les communications ultra large bande

Dans cette thèse nous proposons un nouveau système ultra large bande (UWB) pour les applications WPAN (wireless personal area network) à très haut débit, visant à améliorer la solution multibande orthogonal frequency-division multiplexing (MB-OFDM), supportée par l Alliance WiMedia.Dans un premier temps, une étude analytique est menée sur l apport de la composante de précodage (LP-OFDM) au système UWB. La fonction de précodage est ensuite optimisée et différents algorithmes d allocation dynamique visant à maximiser la portée ou le débit du système, ou à minimiser le taux d erreur binaire (TEB) moyen du système, sont proposés. Dans un second temps, une étude système complémentaire à l étude analytique est réalisée pour le système LP-OFDM global. Une composante MIMO est ajoutée au système pour augmenter sa robustesse ainsi que son débit qui peut atteindre dans ce cas 1 gigabit/s. Les résultats de simulation montrent que ce système est nettement plus performant que le système MB-OFDM.In this thesis, we propose a new ultra-wideband (UWB) system for high data rate wireless personal area network (WPAN) applications, based on the well-known multiband orthogonal frequency-division multiplexing (MB-OFDM) solution supported by the WiMedia Alliance.In a first step, we analytically investigate the use of a linear precoded OFDM (LP-OFDM) waveform for UWB systems. The precoding function is then analytically optimized and different resource allocation algorithms maximizing the system range and throughput, and minimizing the system mean BER, are proposed. In a second step, a global UWB system approach is carried out, complementarily to the analytical study. Furthermore, a MIMO component is added to the LP-OFDM system in order to improve the system robustness as well as to provide a data rate of 1 Gb/s. System simulation results show that the joint use of MIMO and LP-OFDM schemes in UWB leads to a significant system improvement compared to the MB-OFDM system.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Systèmes hertziens à forte efficacité spectrale pour les communications mobiles multi-antennes et multi-porteuses de 4e génération

Cette étude contribue aux projets européens sur les systèmes sans fil 4G et propose des solutions optimisées pour la voie descendante.Une approche unifiée des systèmes multiporteuses, multiutilisateurs, et multiantennes permet d utiliser au mieux les propriétés du canal de propagation radio-mobile large-bande. Pour exploiter les gains de réseau d'antennes, diversité et multiplexage MIMO en fonction du contexte, une stratégie est dressée. La chaîne de communication numérique MIMO-OFDM-CDMA insiste sur la flexibilité des algorithmes linéaires adoptés. L optimisation repose sur des techniques de codage et d'estimation temps/fréquence/espace innovantes. Par pragmatisme, nous exploitons la diversité pour assurer robustesse, détection simple et compatibilité avec l'ensemble des terminaux. Nous proposons également des solutions à fort potentiel en haut-débit mobile dès que le nombre d'antennes augmente, avec une simple détection MMSE. Enfin, nous introduisons des méthodes d'estimation du canal MIMO adaptées, utilisant des pilotes répartis ou les données décodées de manière itérative. Les résultats confirment la pertinence des solutions développées.This study contributes to European projects on 4G wireless systems and proposes optimized downlink solutions. The considered multi-carrier, multi-user and multi-antenna systems intend to benefit from the properties of the wideband mobile propagation channel. The strategy depicted takes advantage of the antenna array, diversity and MIMO multiplexing gains depending on the context. The MIMO-OFDM-CDMA digital communication chain insists on the flexibility of the algorithms.The optimization also relies on innovative techniques for coding and estimating in space/time/frequency. First, pragmatism means exploitation of diversity to ensure robustness, simple detection and compatibility with a wide range of terminals. Then, we suggest additional high-rate solutions when the number of antennas increases, with a simple MMSE detection. Finally, we introduce proper MIMO channel estimation schemes, using scattered pilots and iterative methods with decoded data. The various results exhibit the relevance of the developed solutions.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Allocation de ressources inter-couche pour les futurs systèmes UWB à très haut débit

L ultra large bande ou UWB (ultra-wideband) a récemment attiré un grand intérêt comme étant une nouvelle technologie destinée pour les communications non licenciées à courte portée, à cause de sa capacité à fournir des données à haut débit, son faible coût et sa faible consommation d'énergie. L'objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle approche pour l allocation de ressources dans un contexte multiutilisateur sous contraintes de qualité de service (QoS) et d interférence pour les futurs systèmes UWB très haut débit, faisant partie des futurs réseaux domestiques. Cette nouvelle approche repose sur un principe inter-couche cross-layer visant à améliorer la solution MB-OFDM (multiband OFDM) supportée par la WiMedia Alliance. Au premier lieu, le problème d'allocation de ressources multiutilisateur est analytiquement étudié en dérivant un problème d'optimisation sous contraintes. Une solution optimale et une autre sous-optimale sont proposées en se basant sur l approche cross-layer qui combine des informations fournies par les couches PHY et MAC. Tandis que la couche PHY est chargée de fournir la qualité du canal des utilisateurs UWB ainsi que leur niveau d'interférence qu'ils produisent sur les utilisateurs licenciés, la couche MAC est responsable de la classification des utilisateurs en deux classes de service afin de garantir un haut niveau de QoS pour les services temps-réels et multimédia. Ensuite, afin d'augmenter le niveau de liberté de l allocation de ressources dans le domaine fréquentiel, nous proposons une allocation de ressources temps-fréquentielle, basée sur un modèle de partage spectral qui considère conjointement l allocation fréquentielle de ressources et l ordonnancement temporel des utilisateurs. Un modèle d'optimisation est présenté sur la base du problème d'optimisation sous contraintes défini pour l'allocation fréquentielle de ressources. Cependant, pour réduire la complexité de la solution optimale, une solution de faible complexité est proposée reposant sur les solutions sous-optimales d'allocation de ressources et d'ordonnancement. Cette solution de partage temps-fréquentiel de faible complexité prouve sa capacité à fournir conjointement l'équité entre les utilisateurs différenciés et le support de la QoS pour les utilisateurs de haute priorité.Ultra-wideband (UWB) has recently been attracting great interest as a suitable technology for unlicensed short range communications, due to its ability to provide high data rate at low cost and low power consumption. The objective of this thesis is to propose a new cross-layer multiuser resource allocation scheme under quality of service (QoS) and interference constraints for high data rate unlicensed UWB systems in the context of Future Home Networks, i.e. wireless personal area network (WPAN), based on the well-known multiband orthogonal frequency-division multiplexing (MB-OFDM) solution supported by the WiMedia Alliance. First, the multiuser resource allocation problem is analytically studied by deriving a constrained optimization problem. Optimal and suboptimal solutions are proposed based on a cross-layer approach that combines information provided by PHY and MAC layers. While the PHY layer is responsible for providing the channel quality of the unlicensed UWB users as well as their interference level that they cause on licensed users, the MAC layer is responsible for classifying the unlicensed users using a two-class based approach that guarantees for multimedia services a high QoS support compared to other services. Combined in an efficient and simple way, the PHY and MAC information present the key elements of the aimed resource allocation. Second, in order to increase the freedom level of the frequency resource allocation, we propose a joint resource allocation and scheduling model leading to a multiuser time-frequency spectrum sharing scheme. An optimization scheme is presented based on the constrained optimization problem proposed for the frequency resource allocation. However, to reduce the complexity of the optimal spectrum sharing solution, a low-complexity solution is proposed based on suboptimal resource allocation and scheduling solutions. The low-complexity time-frequency spectrum sharing scheme proves its ability to provide jointly fairness among the differentiated users and QoS support for high-priority users.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Prototypage de systèmes Haut Débit combinant Étalement de spectre, Multi-porteuses et Multi-antennes

Afin de répondre aux besoins permanents de mobilité et de débit, l'émergence de la future quatrième génération de systèmes de radiocommunications repose autant sur le développement de nouvelles techniques de transmissions que sur la mise au point d'architectures matérielles performantes. Dans la recherche de modulations adaptées pour la couche physique de ces futurs réseaux, une approche pertinente repose sur la technique MC-CDMA, associant les techniques de modulations à porteuses multiples et l'étalement de spectre. L'extension de cette technique mono-antenne aux systèmes alliant un réseau d'antennes à l'émission et à la réception ou MIMO, est également très séduisante. Les techniques MIMO réalisées par des modulations codées en blocs ou en treillis offrent un regain de débit ou de robustesse. Ainsi, la combinaison de la technique MC-CDMA avec des techniques MIMO offre un panel de solutions répondant aux contraintes de mobilité et de débit. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont pour buts l'étude et la mise en oeuvre pratique de systèmes de communications utilisant ces techniques innovantes. Notre travail a par ailleurs porté sur la définition et l'optimisation des méthodes de conception de tels systèmes vers des cibles architecturales hétérogènes. Ce travail fait partie intégrante du projet européen MATRICE et du projet région Bretagne PALMYRE.Après une présentation générale du contexte applicatif et des principes afférents aux systèmes MC-CDMA et aux techniques MIMO, une étude de la complexité et de l'intégration au sein d'une plate-forme de prototypage associant des composants DSP et FPGA est réalisée. Afin de proposer une démarche de conception efficace, nous envisageons l'application de la méthodologie MCSE pour le développement des systèmes étudiés. Ainsi, son flot complet de conception sera détaillé. L'intérêt de cette méthode pour l'optimisation de systèmes de transmissions reposant sur les techniques MC-CDMA et MIMO est ainsi démontré.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Etude et optimisation des techniques MC-CDMA pour les futures générations de sytèmes de communications hertziennes

RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Etude et optimisation de communications à haut-débit sur lignes d'énergie : exploitation de la combinaison OFDM/CDMA

LES TRAVAUX DE RECHERCHE PRESENTES DANS CETTE THESE ONT POUR BUT L ETUDE ET L OPTIMISATION D UN SYSTEME DE COMMUNICATIONS A HAUT-DEBIT SUR LIGNES ELECTRIQUES, METTANT EN ŒUVRE LES TECHNIQUES COMBINANT L OFDM ET LE CDMA. CETTE ETUDE S INSCRIT DANS UN CONTEXTE D EXPLOITATION DE LA BOUCLE LOCALE ELECTRIQUE POUR L ACCES A L INTERNET DOMESTIQUE.LA PREMIERE PARTIE DU DOCUMENT EST CONSACREE A L ETUDE DES SPECIFICATIONS DU SYSTEME DE COMMUNICATIONS. UN ETAT DE L ART SUR LES COMMUNICATIONS PAR COURANT PORTEUR EST TOUT D ABORD PROPOSE, ACCOMPAGNE D UNE SYNTHESE SUR LA STRUCTURE DU RESEAU DES LIGNES ELECTRIQUES ET LES CARACTERISTIQUES DU CANAL DE PROPAGATION. LES DIFFERENTS CHOIX CONCERNANT LE SYSTEME A DEVELOPPER SONT ENSUITE ENVISAGES POUR L OBTENTION DE COMMUNICATIONS MULTIUTILISATEURS EN LIAISON POINT-A-MULTIPOINT DANS UN ENVIRONNEMENT MULTICELLULAIRE. LA COMBINAISON ENTRE L OFDM ET LE CDMA, APPELEE SS-MC-MA, EST RETENUE ET UNE STRUCTURE DE TRAME EST PROPOSEE.LA DEUXIEME PARTIE DU DOCUMENT EST DEDIEE A L ETUDE DES PROCEDES DE SYNCHRONISATION ET D ESTIMATION DE CANAL. LES EFFETS DES ERREURS DE SYNCHRONISATION SONT EN PREMIER LIEU IDENTIFIES ET LA TOLERANCE DU SYSTEME AUX DEFAUTS DE RYTHME EST SPECIFIEE. LA PROCEDURE DE SYNCHRONISATION DU SYSTEME EST ENSUITE DECRITE ET DES ALGORITHMES CONJOINTS ET INNOVANTS DE SYNCHRONISATION TEMPORELLE FINE ET D ESTIMATION DE CANAL SONT PROPOSES. DEUX APPROCHES REPOSANT SUR UNE MISE EN ŒUVRE DE CES ALGORITHMES DANS LE DOMAINE FREQUENTIEL ET TEMPOREL SONT ALORS COMPAREES. LA DERNIERE PARTIE TRAITE, DANS LE CAS DE SIGNAUX SS-MC-MA, DE L ALLOCATION GLOBALE DES DIFFERENTES RESSOURCES DU SYSTEME, DANS LES CAS MONO- ET MULTI-UTILISATEUR AVEC UNE CONNAISSANCE PARFAITE DU CANAL A L EMISSION. LE PRINCIPE DES MODULATIONS ADAPTATIVES APPLIQUE A LA DMT EST TOUT D ABORD ABORDE ET ADAPTE AU CONTEXTE DE L ETUDE. EN CONSIDERANT UNE LIMITATION DE LA DENSITE SPECTRALE DE PUISSANCE D EMISSION, DE NOUVEAUX ALGORITHMES D ALLOCATION SONT ENSUITE DEVELOPPES EN MODE SS-MC-MA. IL EST ALORS DEMONTRE QUE LA COMPOSANTE ETALEMENT PERMET UNE MEILLEURE EXPLOITATION DES ENERGIES DISPONIBLES SUR CHAQUE SOUS-PORTEUSE, ET DE TRANSMETTRE ALORS UN DEBIT PLUS ELEVE QUE LA DMT OU DE RENDRE LA COMMUNICATION PLUS ROBUSTE. LES NOMBREUX RESULTATS OBTENUS DANS DIVERSES CONFIGURATIONS MONTRENT QUE LE SYSTEME SS-MC-MA ADAPTATIF PROPOSE EST PLUS PERFORMANT QUE LA DMT POUR LES RESEAUX CPL.THIS THESIS IS DEDICATED TO THE STUDY AND THE OPTIMISATION OF HIGH BIT-RATE POWER LINE COMMUNICATIONS, USING OFDM AND CDMA SCHEMES. THIS STUDY IS RELATED TO THE EXPLOITATION OF THE ELECTRICAL LOCAL LOOP FOR HOME INTERNET ACCESS PURPOSES.THE FIRST PART OF THE DOCUMENT FOCUSES ON THE COMMUNICATION SYSTEM SPECIFICATIONS. A STATE OF THE ART OF POWER LINE COMMUNICATIONS IS FIRST INTRODUCED, AS WELL AS AN OVERVIEW ON THE POWER GRID STRUCTURE AND THE POWER LINE CHANNEL CHARACTERISTICS. DIFFERENT CHOICES ARE THEN ASSESSED CONCERNING THE DIGITAL COMMUNICATION SYSTEM TO DEVELOP, TAKING INTO ACCOUNT THE POINT-TO-MULTIPOINT MULTI-USER TRANSMISSION SCENARIO. ONE OF THE VARIOUS COMBINATIONS BETWEEN OFDM AND CDMA SCHEMES, COMMONLY REFERRED TO AS SS-MC-MA, IS IN PARTICULAR INVESTIGATED AND A FRAME STRUCTURE IS PROPOSED.THE SECOND PART IS DEDICATED TO THE STUDY OF SYNCHRONISATION AND CHANNEL ESTIMATION TECHNIQUES. THE EFFECTS OF SYNCHRONISATION INACCURACIES ARE FIRST ANALYSED, AND THE SENSITIVITY OF THE SYSTEM TO TIMING ERRORS IS ASSESSED. A TIMING SYNCHRONISATION PROCEDURE IS THEN PROPOSED AND DESCRIBED, USING NOVEL ALGORITHMS FOR JOINT FINE TIMING RECOVERY AND CHANNEL ESTIMATION. TWO APPROACHES, RELYING ON A TIME OR FREQUENCY PROCEDURES ARE EVENTUALLY ANALYSED AND COMPARED.THE LAST PART OF THE STUDY IS INTERESTED IN RESOURCE ALLOCATION PROCEDURES FOR THE SS-MC-MA WAVEFORM AND IN THE CASES OF SINGLE OR MULTI-USER SCENARIOS. THE ADAPTIVE MODULATION PRINCIPLES, COMMONLY APPLIED TO OFDM SIGNALS, IS FIRST INTRODUCED AND THEN ADAPTED TO THE SS-MC-MA SYSTEM. NEW BIT LOADING ALGORITHMS ARE THEN PROPOSED, CONSIDERING POWER LIMITATIONS DUE TO SPECTRAL MASK CONSTRAINTS. IT IS THEN SHOWN THAT THE SPREADING COMPONENT ALLOWS TO INCREASE THE NUMBER OF BIT TO BE TRANSMITTED OR THE ROBUSTNESS OF THE SYSTEM. NUMEROUS RESULTS, OBTAINED FOR DIFFERENT TRANSMISSION SCENARIOS, TEND TO PROVE THAT THE ADAPTIVE SS-MC-MA SYSTEM OUTPERFORMS THE CLASSICAL ADAPTIVE OFDM (E.G. DMT) SYSTEM.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

Etude et optimisation des techniques UWB haut débit multibandes OFDM

L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier et de proposer une amélioration du système MB-OFDM pour les transmissions sans fil UWB haut débit. Nous proposons ainsi une nouvelle forme d'onde pour l'UWB nommée LP-OFDM. Elle est obtenue en ajoutant au système MB-OFDM une fonction de précodage linéaire. L utilisation du précodage linéaire permet une meilleure exploitation de la diversité fréquentielle du canal et offre plus de flexibilité dans le choix des débits. Des techniques d'optimisation du système sont proposées. Une amélioration notable des performances du système LP-OFDM est obtenue par rapport au système MB-OFDM. Le système LP-OFDM étendu au cas du MIMO est également étudié. Là encore, une amélioration significative des performances est obtenue permettant d'envisager une augmentation de la portée ou des débits de transmission. Enfin, il a été montré que le système LP-OFDM est plus robuste que le système MB-OFDM face à un interférent à bande étroite de type WiMAX.The aim of this thesis is to study and propose an improvement of the MB-OFDM system for high data rate UWB wireless communication. A new waveform for UWB called LP-OFDM is proposed. It is obtained by adding to MB-OFDM a linear precoded function. The use of linear precoded function allows more effective channel frequency diversity exploitation and offers a broad choice of data rates. Optimization techniques of the LP-OFDM system are proposed. A significant improvement of the LP-OFDM system performance has been identified compared to the MB-OFDM system. LP-OFDM system extended to a MIMO case is also studied. Results indicate a significant performance improvement allowing the opportunity to consider either increasing the distance range or the data rate. Finally, the impact of a WiMAX narrowband interference on the UWB systems performance is studied. It is apparent the LP-OFDM system is more robust than the MB-OFDM system subject to an intentional jammer.RENNES-INSA (352382210) / SudocSudocFranceF

A new general method to elaborate the best balanced space-time trellis codes

Récemment, il y a été établi que les meilleurs codes temps-espace en treillis (STTCs) appartiennent à une classe spécifique de codes. Ces codes sont appelés " codes équilibrés " parce que les points de la constellation MIMO (multiple input multiple output) sont utilisés de manière équiprobable. Ainsi, la recherche des meilleurs codes peut être réduite à cette classe. Ce papier présente une nouvelle méthode pour construire les codes équilibrés utilisant une modulation 2^n-PSK, quel que soit le nombre d'antennes d'émission. Cette méthode est plus simple que la première méthode qui est décrite uniquement pour une modulation 4-PSK et peut être généralisée pour n'importe quelle configuration de codeur temps-espace en treillis. Les résultats de simulation montrent que les nouveaux codes proposés pour les modulations 4-PSK et 8-PSK sont légèrement plus performants que les meilleurs codes précédemment publiés