doctorat paristech thÈse telecom paristech etude de

Download Doctorat ParisTech THÈSE TELECOM ParisTech Etude de

Post on 30-Dec-2016

222 views

Category:

Documents

6 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • 2012-ENST-017

    EDITE - ED 130

    Doctorat ParisTech

    T H S Epour obtenir le grade de docteur dlivr par

    TELECOM ParisTech

    Spcialit Electronique Et Communications

    prsente et soutenue publiquement par

    AKL CHARAF4 Avril 2012

    Etude de rcepteurs MIMO-LDPC itratifs

    Directeur de thse : Georges RODRIGUEZ-GUISANTES, E/C Dpartement COMELEC

    JuryMme Maryline HELARD,Professeur, Institut dElectronique et de Telecommunications de Rennes, INSA Rennes, Prsident du juryM. Michel JEZEGUEL,Professeur, Dpartement Electronique, Telecom Bretagne Brest RapporteurMme Marie-Laure BOUCHERET,Professeur, Groupe Signal et Communications , ENSEEIHT Toulouse RapporteurM. Maurice CHARBIT,Professeur, Dpartement Traitement du Signal et des Images, Telecom ParisTech ExaminateurM. Pierre PENARD,Ingnieur Recherche et Dveloppement, RESA/WASA/CREM, Orange Labs Rennes EncadrantM. Laurent CARIOU,Ingnieur Recherche et Dveloppement, RESA/WASA/CREM, Orange Labs Rennes Encadrant

    TELECOM ParisTechcole de lInstitut Tlcom - membre de ParisTech

  • 1

    On fait la science avec des faits, comme on fait une maisonavec des pierres : mais une accumulation de faits nest pasplus une science quun tas de pierres nest une maison.

    Henri Poincar

  • 2

  • 3

    Rsum

    Lobjectif de cette thse est ltude de rcepteurs MIMO OFDM itratifs utilisant descodes LDPC. Les techniques MIMO permettent daugmenter la capacit des rseaux sansfil sans la ncessit daugmenter les ressources frquentielles grce lexploitation de ladimension spatiale. Associes aux schmas de modulations multiporteuses CP-OFDM lestechniques MIMO sont ainsi devenues la pierre angulaire pour les nouveaux systmes sansfil haute efficacit spectrale.

    La rception optimale peut tre ralise laide dune rception conjointe dans le sens quelgalisation et le dcodage sont raliss en mme temps. tant trs complexe la rceptionconjointe nest pas envisage en pratique et lgalisation et le dcodage sont raliss disjoin-tement au cot dune dgradation significative en performance. Entre ces deux solutions, larception itrative (Turbo-galisation) trouve son intrt pour sa capacit sapprocher desperformances optimales avec une complexit rduite.

    Loptimisation de codes correcteurs derreurs pour les systmes MIMO itratifs a t tu-die dans la littrature notamment pour les codes convolutifs, Turbo et LDPC. Dans cettethse on sintresse particulirement aux codes LDPC. Les optimisations bases sur lvolu-tion des densits des messages changs ou sur les diagrammes EXIT consistent optimiserles paramtres et la structure du code pour un rcepteur itratif donn. La conception dercepteurs itratifs pour certaines applications, de type WiFi titre dexemple doit respecterla structure du code impose par la norme. De tels codes ne sont gnralement pas optimisspour des rcepteurs itratifs. En observant leffet du nombre des itrations dans le processusitratif, on montre par simulation que lordonnancement des itrations LDPC/Turbo joueun rle important dans la complexit et le dlai du rcepteur.Nous proposons de dfinirdes ordonnancements des itrations internes (dcodage LDPC) et des itrations externes(turbo-galisation) afin de rduire la complexit globale du rcepteur. Deux approches sontproposes, une approche statique base sur des ordonnancements prdfinis et une autre ap-proche dynamique base sur des mtriques de fiabilit. Les rsultats montrent une rductionsignificative de la complexit globale du rcepteur en utilisant les ordonnancements.

    Dans un deuxime temps nous considrons un systme multi-utilisateur avec un accsmultiple par rpartition spatiale (SDMA). Nous nous proposons dvaluer lintrt de larception itrative dans ce contexte en tenant en compte la diffrence de puissance entre lessignaux utile et interfrent.

  • 4

  • Abstract

    The aim of this thesis is to address the design of iterative MIMO receivers using LDPCError Correcting codes. MIMO techniques enable capacity increase in wireless networks wi-thout needing additional frequency ressources due to their spatial dimension. The associationof MIMO with multicarrier modulation techniques OFDM made them the cornerstone ofemerging high rate wireless networks.

    Optimal reception can be achieved using joint detection and decoding at the expense of ahuge complexity making it impractical. Disjoint reception is then the most used scheme butthis latter shows a significant degradation in performance due to the separation of detectionand decoding. Between these solutions, turbo-equalization appeared to be an attractivesolution able to approach the performance of joint reception with a reduced comlplexity.

    Error correcting codes optimization for iterative receivers has been addressed notablyconvolutional, turbo and LDPC codes. We consider LDPC codes. The most known LDPCoptimisation techniques are based on density evolution of the messages and EXIT charts.These techniques enable defining code structure and parameters to best fit with in an itera-tive receiver.

    The design of iterative receivers for some applications using LDPC codes like Wifi (IEEE802.11n) is constrained by the standard code structure which is generally not optimized suchkind of receivers. By observing the effect of the number of iterations on performance andcomplexity we underline the interest of scheduling LDPC decoding iterations and turbo-equalization iterations. We propose to define schedules for the iterative receiver in orderto reduce its complexity while preserving its performance. Two approaches are used : staticscheduling based on predefined fixed rules and dynamic scheduling based on stopping criteriausing reliability metrics. The results show significant reduction in complexity.

    The second part of this work is concerns Multiuser MIMO using Spatial Division MultipleAccess. We explore and evaluate the interest of using iterative reception to cancel residualinter-user interference.

  • 6

  • Remerciements

    Je remercie dabord les membres du jury qui mont accord lhonneur dexaminer cetravail, Mme M. HELARD davoir prsider le jury, Mr. M. JZEQUEL et Mme M.L. BOU-CHERET davoir rapport ce travail ainsi que Mr. M. CHARBIT davoir particip au juryen tant quexaminateur.

    Jadresse mes remerciements lquipe CREM qui ma accueilli pendant ces trois ansdurant lesquels jai beaucoup appris au niveau technique mais galement partag de trsbeaux moments conviviaux et sportifs. Je remercie particulirement notre chef dquipeJean-Christophe RAULT qui ma soutenu, motiv et facilit laccs plusieurs vnementset formations intressantes pour ma formation et mon projet professionnel. Je salue moncollgue de bureau Jean-luc Sicre avec qui jai eu des changes et des discussions trs riches.

    Je remercie spcialement mon directeur de thse Georges RODRIGUEZ-GUISANTESpour son prcieux apport et sa bienveillance pour le bon droulement de ma thse, il atoujours t prsent pour maider surmonter les difficults durant ces trois ans. Jadressegalement mes sincres remerciements mes encadrants Orange Labs Pierre PENARD etLaurent CARIOU qui mont beaucoup apport et qui mont toujours soutenu et conseill.Georges, Pierre et Laurent, ont russi instaurer dans cette petite quipe un agrable climatprofessionnel, coopratif et convivial.

    Je noublie pas de dire GRAND MERCI mes collgues et amis Ali, Nahla, Gaetan,Moussa, Dominique, Sanae, Lin, Christian, Rodolphe, Bruno, Jean-Claude, Bruno, Moha-med, Pierre, Redietab, Sinda, Alina, Lounes, Jean, Soline, Duy, Pierre-Antoine, Ibrahim,Khalid et Serhal.

    Je prsente mes sentiments de reconnaissance les plus profonds mes parents Ali et Monaqui mont permis de poursuivre ce long chemin et qui mont transmis la passion dapprendre.

    Jadresse mes remerciements ma fiance Kayane pour son inestimable amour et pourtout ce quelle a fait pour moi.

    Malgr les milliers de kilomtres qui nous ont spars de lautre ct de lAtlantique delautre cot la Mditerrane, mon frre Edriss et mes soeurs Roua, Malak et Zeinab onttoujours t mes cts.

  • 8

  • 9

    Table des matires

    Introduction 15

    1 Les systmes MIMO-OFDM 211.1 Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2 Gnralits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    1.2.1 Canal de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2.1.1 Bande de cohrence : dfinitions ajustes . . . . . . . . . . . 231.2.1.2 Temps de cohrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.2.1.3 Canal de rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    1.2.2 galisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2.2.1 Dtection maximum de vraisemblance . . . . . . . . . . . . 251.2.2.2 Dtection linaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    1.2.3 La modulation OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.2.4 Les systmes multi antennes : le principe du MIMO . . . . . . . . . . 311.2.5 Canal MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.2.6 Transmission MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    1.2.6.1 Le Multiplexage spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.2.6.2 Le Codage spatio-temporel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.2.6.3 Techniques MIMO avec connaissance du canal en mission

    et rception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.2.6.4 Techniques MIMO sans connaissance du canal . . . . . . . . 36

    1.2.7 MIMO-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361.3 Dtecteurs MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    1.3.1 Dtecteurs maximum de vraisemblance . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.3.1.1 Dtecteurs ML complexit rduite - Le Sphere Decoding . . 38

Recommended

View more >