Optimisation des performances de l’OFDM pour les futurs systemes radio-mobiles

الموضوعات

علوم تطبيقية وتكنولوجية

الملخص

L’objectif de cette th`ese est l’optimisation des performances de la technique de transmission multi-porteuses OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) pour les futurs syst`emes radio-mobiles (LTE, 5G,...). Cette th`ese s’articule autour de deux volets. Un premier volet porte sur des syst`emes OFDM et BFDM (Bi-orthogonal FDM) robustes pour les environnements de transmission tr`es disper-sifs en temps et en fr ́equence. Un deuxi`eme volet concerne les codages spatio-fr ́equentiels (SF) non-coh ́erents pour les syst`emes MIMO-OFDM. Pour le premier contexte, nous proposons une optimisation, bas ́ee sur le crit`ere du rapport signal sur in- terf ́erences (SIR), de la forme d’onde pour un syst`eme OFDM sur des canaux doublement dispersifs. La forme d’onde optimale est exprim ́ee comme une combinaison lin ́eaire des formes d’onde d’HERMITE les mieux localis ́ees. Nous montrons que notre syst`eme OFDM optimis ́e est plus performant, en termes de SIR, que le syst`eme OFDM classique qui utilise une forme d’onde rectangulaire. Nous proposons ́egalement d’optimiser les formes d’ondes bi-orthogonales dans un syst`eme BFDM, qui utilise une fonc-tion prototype`a la r ́eception diff ́erente de celle utilisee` a l’ ́emission, en se basant sur le crit`ere du SIR ou du rapport signal sur interf ́erences et bruit (SINR) sur un canal BBAG (Bruit Blanc Additif Gaussian). Pour acc ́el ́erer les proc ́edures des optimisations, nous proposons des approximations des expressions exactes du SIR en fonction de l’ ́etalement des d ́elais et de l’ ́etalement DOPPLER en utilisant une s ́eriede TAYLOR de second ordre des puissances moyennes d’interf ́erences et des puissances moyennes du signal d ́esir ́e. Nous montrons que notre approximation de l’expression exacte du SIR permet de r ́eduire la complexit ́e d’optimisation sans toucher`a la pr ́ecision des r ́esultats. Pour une ́evaluation suppl ́ementaire des performances des syst`emes OFDM et BFDM optimis ́es, nous simulons tout le syst`eme de la trans-mission multi-porteuse. Ainsi, nous proposons des impl ́ementations efficaces des modulateurs et des d ́emodulateurs pour les syst`emes OFDM et BFDM et des approches simples pour l’ ́evaluation des SIR simul ́es. Nous montrons que les SIR obtenus par simulation correspondent parfaitement aux SIR opti-mis ́es num ́eriquement. Concernant le deuxi`eme volet, l’association de l’OFDM au syst`eme multi-antennaire est une technique prometteuse pour les futurs syst`emes radio-mobiles qui offrent de meilleures performances avec des d ́ebits de transmission assez ́elev ́es. Cette combinaison a donn ́e naissance`a plusieurs sch ́emas de co-dage spatio-temporel- fr ́equentiel (STF) ou spatio- fr ́equentiel (SF). Cependant, la majorit ́e des sch ́emas propos ́es supposent une connaissance parfaite du canal (CSI) au niveau du r ́ecepteur. En pratique, la connaissance du canal est obtenue via des s ́equences d’apprentissage. Par ailleurs, en traversant un ca-nal tr`es s ́electif en temps et en fr ́equence, cette estimation devient tr`es on ́ereuse ou vraiment impossible`a mettre en oeuvre. Dans ce sens, nous nous proposons de concevoir de nouvelles techniques de co-dage/d ́ecodage adapt ́ees au cas MIMO-OFDM non-coh ́erent, qui ne n ́ecessitent pas la connaissance du canal au r ́ecepteur, sur un canal s ́electif en fr ́equence. Nous commencons par montrer qu’une utilisa-tion de codes NC spatio-temporels, concus dans la vari ́et ́e de GRASSMANN, comme codes spatio-fr ́equentiels ne permet pas d’exploiter la diversit ́e pleine. Cependant, un canal s ́electif en fr ́equence offre une diversit ́e suppl ́ementaire par rapport au cas non-s ́electif : la diversit ́e fr ́equentielle. Elle est r ́ealis ́ee physiquement par les d ́elais de propagation diff ́erents qui composent la r ́eponse impulsionnelle. Afin d’obtenir cette diversit ́e, nous proposons de nouveaux sch ́emas de codage NC-SF en codant`a travers les antennes, les fr ́equences d’un symbole OFDM et les multiples symboles OFDM. Nous montrons qu’avec ces sch ́emas de codage un ordre maximal de diversit ́e est atteint en utilisant des techniques simples pourle d ́ecodage.

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[{"name_ar":"Mohamed Siala","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"},{"name_ar":"Raouia Ayadi","title_ar":"اعداد","title_en":"Preparation"}]

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Optimisation des performances de l’OFDM pour les futurs systemes radio-mobiles

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ترجمة الملخص

The aim of this thesis is to optimize the performance of the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) multi-carrier transmission technique for future wireless systems (LTE, 5G,...). This thesis focuses on two aspects. The first aspect considers on robusts OFDM and BFDM (Bi-orthogonal FDM)systems operating over time-frequency dispersive environments. The second aspect concerns the space-frequency (SF) coding for non-coherent MIMO-OFDM systems. In the first aspect, we propose an optimization, based on the Signal-to-Interference Ratio (SIR), of the pulse shape for OFDM system in doubly dispersive channels. The optimal pulse is expressed as linear combinations of the most localized HERMITE Waveforms. We show that our optimized OFDM system outperforms, in terms of SIR, the conventional OFDM system with rectangular pulse. We also propose to optimize the bi-orthogonal pulses in the BFDM systems, with different transmit and receive pulses, based on the SIR criterion or signal-to-interference and noise ratio (SINR) criterion over an AWGN (Additive White Gaussian Noise) channel. Then accelerate the optimization procedure, we undertake the pulse shapes optimization with an approximate expression of the SIR, instead of the exact one. Our ap-proximation of the SIR uses TAYLOR series of interference and desired signal mean powers. We showthat our new pulses are very close to our previous ones and that they lead to a SIR subtantially equivalent to the exact one. For a performance evaluation of these pulses, we propose to verify if the SIR computed through system level simulation is in conformance with the numerically optimized SIR. More precisely, we simulate a multi-carrier transmission system using the optimized pulses. For this aim, we propose an efficient implementation of both the modulator and the demodulator and a simple and efficient method to find out the resulting SIR. We show that the SIR computed through system level simulation matches the maximum achievable SIR obtained through numerical pulses optimization. Concerning the second part, the combination of OFDM and multi-antenna system is a promising tech-nique for future wireless systems that offer better performance with higher data rate transmission. This combination has given several spatio-temporal-frequency (STF) or space-frequency (SF) coding schemes. However, most proposed schemes assume a perfect knowledge of the channel state information (CSI) atthe receiver. In practice, the knowledge of the CSI obtained via training sequences. Nevertheless, this estimate becomes very expensive or really impossible to implement through a highly selective channelin time and frequency. In this sense, we propose to develop a new coding/decoding techniques adapted to the non-coherent MIMO-OFDM case, which don’t require knowledge of the channel at the receiver, on frequency selective channels. We begin by showing the NC space-time codes, designed in GRASS-MANN manifold, as SF codes, cannot exploit the full diversity. However, a frequency selective channel provides additional diversity compared to non-selective case namely the frequency diversity. It is phy-sically realized by the different propagation delays that make up the impulse response. To achieve this diversity, we propose a new NC-SF operating schemes coding across antennas, frequencies of an OFDM symbol and OFDM symbols. We show that, with these coding schemes, a maximum diversity order is achieved using simple techniques for decoding.

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الإشراف

Mohamed Siala

الإعداد

Raouia Ayadi

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