Coding and advanced signal processing for MIMO Systems
Codage et traitement de signal avancé pour les systèmes MIMO
Résumé
The use of multiple transmit and multiple receive antennas in mobile communications offers a high potential to improve the bit rate and the link quality. This can be achieved by using a higher multiplexing rate and by exploiting the diversity contained in the channel, under the constraint of acceptable complexity. The channel knowledge availability has an important impact on the system design. In fact, the Channel State Information (CSI) at the transmitter (Tx) has an impact on the coding, whereas the quality of the channel knowledge at the receiver (Rx) side has an impact mainly on the detection and the channel estimation. The first part of this thesis considers the case of absence of CSI at the Tx and perfect at the Rx. We propose the Space-Time Spreading (STS), which is a space-time coding scheme based on linear precoding that use a MIMO convolutive prefilter. STS achieves full multiplexing rate and is optimized to exploit maximum diversity and coding gains and to save the ergodic capacity. STS allows to use various receiver structures of low complexity. The Stripping MIMO Decision Feedback Equalizer (DFE), is a non-iterative receiver that detects the streams successively. The performances of the Stripping are evaluated in term of diversity versus multiplexing tradeoff. Another non-iterative receiver is the Conventional DFE applied to the MIMO case. It detects jointly symbols for different streams but proceed successively in time. The third proposed receiver is an iterative one. It takes advantage of the presence of the binary channel code, and iterates between the linear equalizer and the binary channel decoder. Simulations are provided to evaluate its performance. In the second part we consider channels with partial CSI at the Tx and perfect CSI at RX. The partial knowledge in these cases can come from the decomposition of the channel in slow varying and fast varying parameters. It can also be the result of the reciprocity of the downlink and uplink physical channels. For those cases we provide suitable channel models and study the ergodic capacity. In the last part, the case of absence of CSI at both Tx and Rx is considered. The capacities of two channel models, block fading and time selective, are studied. Due to the absence of CSI at Rx in this case the channel needs to be estimated in practical systems. We propose semi-blind estimators that combine training and blind information. Identifiability conditions are derived and simulations are presented to evaluate performances.
L'utilisation d'antennes multiple à la transmission et réception dans les communications mobiles, offre d'importantes perspectives pour accroître le débit et améliorer la qualité du lien. Cela peut être effectué en utilisant un plus important multiplexage spatial et en exploitant la diversité contenue dans le canal, tout en gardant une complexité acceptable. L'état de connaissance sur le canal a un impact important sur la conception de la chaîne de transmission. En effet, l'information sur l'état du canal (CSI) au transmetteur (Tx) a un impact sur le codage alors que la qualité du CSI au récepteur (Rx) a principalement un impact sur la détection et l'estimation du canal. Dans la première partie de cette thèse nous avons considéré le cas d'absence de CSI au Tx et un parfait CSI au Rx. On propose la dispersion spatio-temporelle (STS), qui est un schéma de codage spatio-temporel basé sur le précodage linéaire en utilisant un filtre multi-entrée multi sortie (MIMO). Le STS effectue un multiplexage de flux maximal, qui est optimisé pour exploiter une diversité maximale, atteindre un bon gain codage et conserver la capacité ergodique. Un autre avantage du STS est qu'il permet d'utiliser une variété de récepteurs de complexité réduite. Le Stripping MIMO avec égalisation a retour de décision, est un récepteur non-itératif qui détecte les flux d'une manière successive. Les performances du Stripping sont données en terme du compromis entre diversité et multiplexage. Un autre récepteur non-itératif est l'égaliseur à retour de décision appliqué au cas MIMO. Il permet la détection des symboles des différents flux d'une manière conjointe mais successivement dans le temps. Le troisième récepteur proposé est itératif. Il profite de la présence d'un codage canal binaire et itère entre l'égaliseur linéaire et le décodeur canal binaire. Des simulations sont présentées pour évaluer les performances. Dans la seconde partie on considère des canaux avec un CSI partiel au Tx et parfait au Rx. La connaissance partiale dans ces cas peut être le résultat de la décomposition du canal en paramètres lents et rapides. Elle peut aussi être le résultat d'une réciprocité du canal physique entre la liaison montante et descendante. A ces différents cas on présente des modèles de canaux adaptés et on étudie la capacité ergodique. Dans la dernière partie on traite du cas d'absence de CSI aux Tx et Rx. La capacité de deux modèles de canaux, évanescent par bloc et sélectif en temps, sont étudiées. A cause de l'absence de CSI au Rx le canal doit être estimé dans les systèmes utilisés en pratique. On propose des estimateurs semi-aveugle qui combinent l'information de la séquence d'apprentissage et celle de la partie aveugle. Les conditions d'identifiabilité sont obtenues et des simulations sont proposées pour évaluer les performances.