Signal optimization for Galileo evolution

par Lorenzo Ortega Espluga

Thèse de doctorat en Informatique et Télécommunication

Sous la direction de Charly Poulliat et de Marie-Laure Boucheret.

Le président du jury était Emmanuel Boutillon.

Le jury était composé de Charly Poulliat, Marie-Laure Boucheret, Christophe Jego, Thomas Pany, Iryna Andriyanova, Thierry Robert, Hanaa Al Bitar.

Les rapporteurs étaient Christophe Jego, Thomas Pany.

  • Titre traduit

    Optimisation des signaux pour les évolutions GALILEO


  • Résumé

    Les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) sont de plus en plus présents dansnotre vie quotidienne. Des nouveaux utilisateurs émergent avec des besoins opérationnelssupplémentaires, ce qui implique une évolution constante des systèmes de navigation actuels.Dans le cadre de Galileo (système GNSS européen) et en particulier dans Galileo E1 OpenService (OS), l’addition d’un nouveau signal d’acquisition pourrait contribuer à améliorer larésilience dans la phase d’acquisition et à réduire le temps pour géo-localiser notre récepteur(TTFF). La conception d'un nouveau signal GNSS est toujours un compromis entre plusieursfigures de mérite. Les plus pertinents sont la précision de la position, la sensibilité de récepteur etle TTFF. Cependant, si l’on considère que la phase d’acquisition du signal le principal objectif, lasensibilité et le TTFF ont une pertinence plus grande. Compte tenu de ce qui précède, dans cettethèse, il est présenté la conception conjointe d'un signal GNSS avec la structure de message afinde proposer un nouveau signal Galileo de deuxième génération, qui offre bonne sensibilité derécepteur ainsi que une réduction dans le TTFF. Plusieurs aspects ont été abordés afin deconcevoir la nouvelle composante de signal. Premièrement, la définition de la modulation doitprendre en compte la compatibilité des fréquences radioélectriques afin de provoquer un niveaude brouillage acceptable dans la bande. De plus, la modulation devrait fournir de bonnespropriétés de corrélation et une bonne résistance contre les multi trajets afin d'améliorer lasensibilité du récepteur. Deuxièmement, le choix du nouveau code PRN est également crucialpour faciliter la phase d’acquisition. Un critère de modélisation basé sur une fonction de coûtpondéré est utilisé pour évaluer la performance des codes PRN. Cette fonction de coût considèredifférent facteurs telles que l'autocorrélation, la corrélation croisée et la densité spectrale depuissance. Troisièmement, une conception conjointe entre la structure de message et le schémade codage de canal peut fournir à la fois une réduction du TTFF et une amélioration de larésilience des données décodées. Alors, une nouvelle méthode de conception de la structure demessage et du schéma de codage de canal pour le nouveau signal est proposée. Cette méthodefournit les instructions pour concevoir une structure de message dont le schéma de codage decanal est caractérisé pour les propriétés full diversity, maximum distance separable et ratecompatibility. Le codage de canal est essentiel pour améliorer les performances de démodulationde données, en particulier dans les environnements très obstrué ou avec d’interférences.Cependant, ce processus peut être très sensible au calcul correct de l'entrée du décodeur. Desaméliorations significatives ont été obtenues en considérant «soft » décodeurs, via le calcul deslog-likelihood ratio (LLR). Malheureusement, la connaissance complète des informations d'état ducanal (CSI) était généralement prise en compte, ce qui est rarement le cas dans des scénariosréels. Dans cette thèse, nous fournissons de nouvelles méthodes pour calculer desapproximations linéaires du LLR, sous les canaux de fading et interférence, en considérantcertaine information statistique sur le CSI. Finalement, transmettre un nouveau signal dans lamême fréquence porteuse et en utilisant le même amplificateur de puissance (HPA) génère descontraintes dans les méthodes de multiplexage, car une enveloppe constante ou quasi constanteest nécessaire pour réduire les distorsions non linéaires. Également, la conception dumultiplexage devrait offrir une efficacité énergétique élevée afin de ne pas gaspiller l'énergietransmis du satellite. Considérant le précédent, dans cette thèse, nous évaluons différentesméthodes de multiplexage, qui cherchent l’intégration de un nouveau signal binaire dans la bandeGalileo E1.


  • Résumé

    Global Navigation Satellite System (GNSS) are present in our daily lives. Moreover, new users areemerging with further operation needs involving a constant evolution of the current navigationsystems. In the current framework of Galileo (GNSS European system) and especially within theGalileo E1 Open Service (OS), adding a new acquisition aiding signal could contribute to providehigher resilience at the acquisition phase, as well as to reduce the time to first fix (TTFF).Designing a new GNSS signal is always a trade-off between several performance figures of merit.The most relevant are the position accuracy, the sensitivity and the TTFF. However, if oneconsiders that the signal acquisition phase is the goal to design, the sensitivity and the TTFF havea higher relevance. Considering that, in this thesis it is presented the joint design of a GNSS signaland the message structure to propose a new Galileo 2nd generation signal, which provides ahigher sensitivity in the receiver and reduce the TTFF. Several aspects have been addressed inorder to design a new signal component. Firstly, the spreading modulation definition must considerthe radio frequency compatibility in order to cause acceptable level of interference inside the band.Moreover, the spreading modulation should provide good correlation properties and goodresistance against the multipath in order to enhance the receiver sensitivity and to reduce theTTFF. Secondly, the choice of the new PRN code is also crucial in order to ease the acquisitionphase. A simple model criterion based on a weighted cost function is used to evaluate the PRNcodes performance. This weighted cost function takes into account different figures of merit suchas the autocorrelation, the cross-correlation and the power spectral density. Thirdly, the design ofthe channel coding scheme is always connected with the structure of the message. A joint designbetween the message structure and the channel coding scheme can provide both, reducing theTTFF and an enhancement of the resilience of the decoded data. In this this, a new method to codesign the message structure and the channel coding scheme for the new G2G signal isproposed. This method provides the guideline to design a message structure whose the channelcoding scheme is characterized by the full diversity, the Maximum Distance Separable (MDS) andthe rate compatible properties. The channel coding is essential in order to enhance the datademodulation performance, especially in harsh environments. However, this process can be verysensitive to the correct computation of the decoder input. Significant improvements were obtainedby considering soft inputs channel decoders, through the Log Likelihood Ratio LLRs computation.However, the complete knowledge of the channel state information (CSI) was usually considered,which it is infrequently in real scenarios. In this thesis, we provide new methods to compute LLRlinear approximations, under the jamming and the block fading channels, considering somestatistical CSI. Finally, to transmit a new signal in the same carrier frequency and using the sameHigh Power Amplifier (HPA) generates constraints in the multiplexing design, since a constant orquasi constant envelope is needed in order to decrease the non-linear distortions. Moreover, themultiplexing design should provide high power efficiency to not waste the transmitted satellitepower. Considering the precedent, in this thesis, we evaluate different multiplexing methods,which search to integrate a new binary signal in the Galileo E1 band while enhancing thetransmitted power efficiency. Besides that, even if the work is focused on the Galileo E1, many ofthe concepts and methodologies can be easily extended to any GNSS signal



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