Faster than Nyquist transceiver design : algorithms for a global transmission-reception enhancement

par Naila Lahbabi

Thèse de doctorat en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication

Sous la direction de Catherine Douillard.

Le président du jury était Jean-François Hélard.

Le jury était composé de Catherine Douillard, Jean-François Hélard, Michel Terré, Hao Lin, Cyrille Siclet, Charbel Abdel Nour.

Les rapporteurs étaient Jean-François Hélard, Michel Terré.

  • Titre traduit

    Transmettre l'information au-delà de la cadence de Nyquist : algorithmes de transmission et réception et optimisation globale


  • Résumé

    La croissance exponentielle du trafic de données sans fils, causée par l'Internet mobile et les smartphones, contraint les futurs systèmes radio à inclure des modulations/formes d'ondes plus avancées offrant un débit plus élevé et une utilisation efficace des ressources spectrales. Les transmissions dites Faster-Than-Nyquist (FTN), introduites en 1975, sont parmi les meilleurs candidates pour répondre à ces besoins. En transmettant les symboles à une cadence plus rapide que celle définie par le critère de Nyquist, FTN peut théoriquement augmenter le débit mais en introduisant des interférences en contrepartie. Dans cette thèse, nous explorons le concept des transmissions FTN à travers un canal AWGN (Additive White Gaussian Noise) dans le contexte des modulations OFDM/OQAM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Offset Quadrature Amplitude Modulation).L'objectif principal de cette thèse est de présenter un système OFDM/OQAM qui permet de transmettre l'information au-delà de la cadence de Nyquist tout en tenant en compte la complexité globale du système. Tout d'abord, nous proposons une nouvelle implémentation efficace des systèmes OFDM/OQAM appliquant le concept FTN, désignée ici par FTN-OQAM, qui garde la même complexité que les systèmes OFDM/OQAM et qui permet un gain en débit très proche du gain théorique. Vu que la condition de Nyquist n'est plus respectée, le signal transmis est maintenant perturbé par des interférences. Pour remédier à ce problème, nous proposons un récepteur basé sur le principe de l'égalisation linéaire sous le critère minimum erreur quadratique moyenne avec annulation d'interférences appelé MMSE LE-IC. Le but de notre système est d'augmenter le débit de transmission, ce qui signifie que des constellations d'ordres élevés seront ciblées. Dans ce contexte, le MMSE LE-IC, dont la complexité est indépendante de la constellation, représente un bon compromis entre efficacité et complexité. Puisque la modulation OFDM/OQAM utilise différents types de formes d'ondes, nous proposons pour plusieurs d'entre elles un algorithme pour déterminer la valeur minimale du facteur d'accélération, en fonction de l'ordre de constellation, qui apporte un gain en efficacité spectrale tout en gardant les mêmes performances que les systèmes respectant le critère de Nyquist à un SNR fixé. Ensuite, nous étudions l'amélioration du traitement itératif de l'émetteur-récepteur. La méthode proposée consiste à combiner un précodeur avec le système FTN-OQAM afin de réduire les interférences causées par du FTN à l'émission. Nous proposons un modèle de précodage dispersé, car il est difficile de précoder conjointement tous les symboles transmis. Nous présentons trois familles de précodeurs avec les récepteurs correspondants. En outre, nous modifions différents blocs de l'émetteur FTN-OQAM tels que le codage canal, le mappage des bits et le mappage des symboles afin d'améliorer davantage le transmetteur FTN-OQAM. Les résultats présentés révèlent le potentiel important des systèmes proposés.


  • Résumé

    The exponential growth of wireless data traffic driven by mobile Internet and smart devices constrains the future radio systems to include advanced modulations/waveforms offering higher data rates with more efficient bandwidth usage. One possibility is to violate the well known Nyquist criterion by transmitting faster than the Nyquist rate, i.e., using a technique also known as Faster-Than-Nyquist (FTN) signaling. Nyquist-based systems have the advantage of simple transmitter and receiver architectures at the detriment of bandwidth efficiency. The idea of signaling beyond the Nyquist rate to trade the interference-free transmission for more throughput goes back to 1975. In this dissertation, we investigate the concept of FTN signaling over Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel in the context of Orthogonal Frequency Division Multiplexing with Offset Quadrature Amplitude Modulation OFDM/OQAM modulation.The main objective of our work is to present an OFDM/OQAM system signaling faster than the Nyquist one and explore its potential rate improvement while keeping under consideration the overall system complexity. First, we propose a new efficient FTN implementation of OFDM/OQAM systems, denoted by FTN-OQAM, that has the same complexity as OFDM/OQAM systems, while approaching very closely the FTN theoretical rate improvement. As the Nyquist condition is no longer respected, severe interference impacts the transmitted signals. To deal with the introduced interferences, we propose a turbo-like receiver based on Minimum Mean Square Error Linear Equalization and Interference Cancellation, named MMSE LE-IC. The aim of our system is to boost the transmission rate, which means that high constellation orders will be targeted. In this respect, the MMSE LE-IC, whose complexity is independent of the constellation, turns out to be a good candidate. Since OFDM/OQAM modulation can be equipped with different types of pulse shapes, we propose an algorithm to find, for different constellation orders, the minimum achieved FTN packing factor for various pulse shapes. Then, we aim at improving the iterative processing of the introduced transceiver. The proposed method involves combining a precoder with the FTN-OQAM system in order to remove FTN-induced interference at the transmitter. We also present a sparse precoding pattern as it is difficult to jointly precode all the transmitted symbols. We introduce three families of precoders along with the corresponding receivers. Furthermore, we propose several modifications of the FTN-OQAM transmitter concerning different blocks such as channel coding, bits mapping and symbols mapping to further enhance the FTN-OQAM transceiver design. Presented results reveal the significant potential of the proposed methods.


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