Dérivation et optimisation de schèmes de codage turbo convolutif pour les modulations OFDM et DMT

par Julien Pons

Thèse de doctorat en Traitement du signal

Sous la direction de Patrick Duvaut.

Soutenue en 2007

à Cergy-Pontoise .


  • Résumé

    Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur l'étude, conception et optimisation de schèmes de modulation partiellement turbo codés en vue d’améliorer les performances des systèmes de communication numérique large-bande sans-fils et filaires fondés sur des technologies OFDM et DMT. Plus particulièrement, nous nous concentrons sur la recherche de méthodes de codage améliorant le compromis entre performance, complexité, flexibilité et rétrocompatibilité avec les standards Wi-Fi, WiMAX et DSL. Notre première tentative vise à améliorer les systèmes filaires (DSL) via l’introduction d’un schème de codage multi-niveaux original, appelé hierarchical trellis coded modulation (HTCM), fondé sur la protection hiérarchique de trois niveaux non-binaires : le premier niveau à l’aide d’un turbo-code et les deux niveaux restant à l’aide d’une modulation codée treillis (TCM). Bien que pouvant sensiblement améliorer (parfois pas plus d’un décibel) le gain de codage d’un schème TCM de complexité équivalente, la structure HTCM est peu adaptée aux applications utilisant un code externe Reed-Solomon (RS), tel qu’en DSL. En alternative, nous suggérons un schème formé de la concaténation en série d’un code RS et d’une modulation turbo-codée à deux niveaux (TuCM) protégeant le premier niveau 24-aire avec un turbo-code et laissant le second niveau sans protection. Une optimisation approfondie du cœur TuCM montre qu’une structure employant le turbo-code des systèmes WiMAX peut atteindre un gain de codage de 7dB pour un taux d’erreur binaire de 10-7, cela en considérant un mot de code formé d’environ 900 sous-porteuses. Une modification de cette dernière structure pour les applications sans-fils consiste à ne pas employer de code RS externe et à protéger le second niveau TuCM avec un code convolutif. Par exemple, nous proposons une structure combinant les codes convolutif et turbo des systèmes WiMAX, et montrons que cette dernière améliore le compromis performance/complexité des solutions standardisées en Wi-Fi et WiMAX. La conception et l’optimisation de nos schèmes de codage ont menés au développement d’outils originaux, tels que de nouvelles bornes théoriques du taux d’erreur de schèmes de codage multi-niveaux, et un nouvel algorithme d’estimation de la distance libre d’un turbo-code. Finalement, nous proposons une méthode, dite de self-protection, pour améliorer la capacité de correction de paquets d’erreurs d’un système multi-porteuse originellement conçu pour corriger des erreurs isolées. La technique combine efficacement plusieurs concepts classiques tels qu’une marge de SNR, décodage à effacement, et une nouvelle forme d’entrelacement de canal. Cette méthode peut sensiblement réduire la latence de techniques plus traditionnelles (e. G. Entrelacement de canal ou codage RS).

  • Titre traduit

    Derivation and optimization of convolutional turbo coded OFDM and DMT modulation schemes


  • Résumé

    The research work presented in this thesis deals with the study, derivation and optimization of partially convolutional turbo coded modulation schemes aiming at improving the performance of wireless and wireline broadband digital communication systems based on OFDM and DMT technologies. Our efforts are focused on providing coding methods that yield a good trade-off in terms of performance, complexity, flexibility and backward-compatibility with the coding methods suggested in the Wi-Fi, WiMAX and DSL standards. We first attempt to improve wireline (DSL) systems by introducing an original multilevel coding scheme, called hierarchical trellis coded modulation (HTCM), based on the hierarchical protection of three non-binary levels: the first level with a convolutional turbo code (CTC) and the two remaining levels with trellis coded modulation (TCM). A HTCM scheme can outperform by over 1dB a complexity-equivalent TCM. However, HTCM schemes do not achieve a significant performance improvement in applications such as DSL that use outer Reed-Solomon (RS) coding. As an alternative, we suggest a serially concatenated scheme formed by an outer RS code and an inner bi-level turbo coding modulation (TuCM) that protects the first 24-ary level with a CTC and leaving the second level unprotected. A comprehensive optimization of the TuCM shows that a structure employing WiMAX's duo-binary CTC and a codeword spanning roughly 900 subcarriers can achieve 7dB coding gain for a BER of 10-7. A modification of the latter structure for wireless applications involves not using outer RS coding and protecting the second level of the inner TuCM with a convolutional code (CC). As an example, we propose a structure combining WiMAX's CC and CTC, which achieves a better performance/complexity trade-off than current standard Wi-Fi and WiMAX solutions. The design and optimization of our coding structures led to the development of original tools, such as new theoretical bounds on the error probability of multilevel coding schemes, and a new algorithm for estimating the free distance of turbo-codes. Finally, we propose a so-called self-protection method to enhance the burst-error correction capability of coded multicarrier systems originally optimized for handling random-errors. The technique efficiently combines various classical concepts, such as SNR margin, erasure-decoding and a novel form of channel interleaving, and can yield significantly reduced latency as compared to traditional techniques, such as channel interleaving and outer RS coding.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (270 f.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 261-270

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  • Bibliothèque : Université de Cergy-Pontoise. Bibliothèque universitaire. Site de Neuville.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : TS CERG 2007 PON
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