Transmitter and receiver design for inherent interference cancellation in MIMO filter-bank based multicarrier systems

par Rostom Zakaria

Thèse de doctorat en Lasers, Métrologie, Communications

Sous la direction de Didier Le Ruyet.

Soutenue le 07-11-2012

à Paris, CNAM , dans le cadre de Ecole doctorale Arts et Métiers (Paris) , en partenariat avec Centre d'étude et de recherche en informatique (Paris ; Evry) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Conception d’émetteur et récepteur pour l’élimination des interférences intrinsèques dans les systèmes multiporteuses à base de bancs de filtres et à antennes multiples


  • Résumé

    Grâce à leur capacité de faire face à la sélectivité fréquentielle des canaux de transmission, les modulations multi-porteuses (MC) attirent de plus en plus d’attention. De nos jours, la modulation OFDM avec le préfixe cyclique (CP) est la plus utilisée, et cela grâce à sa simplicité et à sa robustesse. Cependant, la technique CP-OFDM présente une perte dans l’efficacité spectrale à cause de l’introduction du CP puisqu’il contient des informations redondantes. De plus, la réponse rectangulaire du filtre de mise en forme utilisé en OFDM a une mauvaise localisation fréquentielle. Afin de surmonter ces inconvénients, la modulation multi-porteuse à base des bancs de filtres (FBMC) a été proposée en tant qu’une approche alternative à la modulation OFDM. En effet, on n’a pas besoin d’insérer un intervalle de garde, tel que le CP, dans la modulation FBMC. D’autre part, la bonne localisation fréquentielle de la réponse du filtre de mise en forme permet un meilleur contrôle de la radiation hors-bande du système. Dans la littérature, on trouve plusieurs types de la modulations FBMC basés sur différentes structures. Dans cette thèse, nous ne nous intéressons que sur le schéma de Saltzberg appelé OFDM/OQAM ou FBMC/OQAM. Dans ce schéma, les symboles envoyés sur chaque sous-porteuse sont tirés d’une constellation PAM réelle, et les symboles réels sont envoyés à une cadence de 2/T . La condition d’orthogonalité est réduite sur l’ensemble des réels uniquement. En conséquence, le symbole démodulé et égalisé est infecté par un terme d’interférence purement imaginaire. Ce terme d’interférence est une combinaison linaire des symboles transmis dans le voisinage du symbole concerné. La présence de cette interférence inhérente cause des difficultés de détection dans certains schéma multi-antennes (MIMO).L’objectif de cette thèse est d’étudier l’association de la modulation FBMC aux techniques MIMO, à savoir le multiplexage spatiale avec détection de maximum de vraisemblance (ML). Dans un premier temps, nous proposons d’analyser différentes techniques d’annulation d’interférence que nous adaptons au contexte de MIMO-FBMC. Nous montrons que, dans certains cas, nous pouvons bien retirer l’interférence et appliquer la détection ML. Ensuite, nous proposons d’apporter une légère modification dans la modulation FBMC en transmettant des symbole QAM complexes. Évidement, cela brise la condition d’orthogonalité mais nous montrons qu’ainsi la puissance d’interférence sera considérablement réduite. Enfin, nous introduisons un nouveau schéma basé sur la modulation FBMC. Ce schéma, que nous avons baptisé FFT-FBMC, transforme le modèle du système à un modèle équivalent à celui de l’OFDM. Ainsi, n’importe quelle technique multi-antennes pourra être appliquée sans aucune difficulté. D’abord, nous développons le système FFT-FBMC dans un contexte SISO, et puis nous évaluons ces performances dans le contexte MIMO.


  • Résumé

    Multicarrier (MC) Modulation attracts a lot of attention for high speed wireless transmissions because of its capability to cope with frequency selective fading channels turning the wideband transmission link into several narrowband subchannels whose equalization, in some situations, can be performed independently and in a simple manner. Nowadays, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with the cyclic prefix (CP) insertion is the most widespread modulation among all MC modulations, and this thanks to its simplicity and its robustness against multipath fading using the cyclic prefix. Systems or standards such as ADSL or IEEE802.11a have already implemented the CP-OFDM modulation. Other standards like IEEE802.11n combine CP-OFDM and multiple-input multiple-output (MIMO) in order to increase the bit rate and to provide a better use of the channel spatial diversity. Nevertheless, CP-OFDM technique causes a loss of spectral efficiency due to the CP as it contains redundant information. Moreover, the rectangular prototype filter used in CP-OFDM has a poor frequency localization. This poor frequency localization makes it difficult for CP-OFDM systems to respect stringent specifications of spectrum masks.To overcome these drawbacks, filter-bank multicarrier (FBMC) was proposed as an alternative approach to CP-OFDM. Indeed, FBMC does not need any CP, and it furthermore offers the possibility to use different time-frequency well-localized prototype filters which allow much better control of the out-of-band emission. In the literature we find several FBMC systems based on different structures. In this thesis, we focus on the Saltzberg’s scheme called OFDM/OQAM (or FBMC/OQAM). The orthogonality constraint for FBMC/OQAM is relaxed being limited only to the real field while for OFDM it has to be satisfied in the complex field. Consequently, one of the characteristics of FBMC/OQAM is that the demodulated transmitted symbols are accompanied by interference terms caused by the neighboring transmitted data in time-frequency domain. The presence of this interference is an issue for some MIMO schemes and until today their combination with FBMC remains an open problem.The aim of this thesis is to study the combination between FBMC and MIMO techniques, namely spatial multiplexing with ML detection. In the first part, we propose to analyze different intersymbol interference (ISI) cancellation techniques that we adapt to the FBMC/OQAM with MIMO context. We show that, in some cases, we can cope with the presence of the inherent FBMC interference and overcome the difficulties of performing ML detection in spatial multiplexing with FBMC/OQAM. After that, we propose a modification in the conventional FBMC/OQAM modulation by transmitting complex QAM symbols instead of OQAM ones. This proposal allows to reduce considerably the inherent interference but at the expense of the orthogonality condition. Indeed, in the proposed FBMC/QAM,the data symbol and the inherent interference term are both complex. Finally, we introduce a novel FBMC scheme and a transmission strategy in order to avoid the inherent interference terms. This proposed scheme (that we call FFT-FBMC) transforms the FBMC system into an equivalent system formulated as OFDM regardless of some residual interference. Thus, any OFDM transmission technique can be performed straightforwardly to the proposed FBMC scheme with a corresponding complexity growth. We develop the FFT-FBMC in the case of single-input single-output (SISO) configuration. Then, we extend its application to SM-MIMO configuration with ML detection and Alamouti coding scheme.


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