Faster-Than-Nyquist communication systems : from single-carrier to multi-carrier signaling

par Titouan Petitpied

Thèse de doctorat en Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique

Sous la direction de Guillaume Ferre.

  • Titre traduit

    Communications Faster-Than-Nyquist : des liaisons mono-porteuse aux liaisons multi-porteuses


  • Résumé

    Cette thèse est une étude multi-critères de la technique du Faster-Than-Nyquist (FTN). Nous nous plaçons tout d'abord dans le cadre de communications mono-porteuses et sans canal de propagation. Nous supposons deux types de mise en forme du signal FTN : le FTN linéaire classiquement étudié, et le FTN circulaire qui présente l’avantage de simplifier les traitements de filtrage qui peuvent alors se faire dans le domaine fréquentiel. Sous ces hypothèses, nous définissons différents critères d'intérêt : efficacité spectrale, efficacité énergétique au travers du Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), complexité des algorithmes de réception. Nous montrons alors que le potentiel du FTN est supérieur à celui de communications Nyquist notamment par ce qu’il permet d’optimiser le PAPR. Cependant, le FTN n’est pas utilisé actuellement car la complexité calculatoire nécessaire des algorithmes de réception pour les traitements de l'Interférence-Entre-Symboles (IES). En effet, les approches par filtrages de type Minimum Mean-Square-Error (MMSE) offrent des gains substantiels à faible efficacité spectrale, mais on a besoin de passer à des détecteurs de type Maximum A Posteriori (MAP) plus performants en terme de taux d'erreurs dès lors que l'IES est trop puissante. Or, ces approches MAP nécessitent une complexité calculatoire prohibitive pour des constellations riches. Ainsi, nous nous intéressons à des algorithmes de messages passing pour diminuer le coût calculatoire du traitement de l’interférence. Pour cela, nous proposons d’utiliser l’Expectation Propagation (EP) qui vise à filtrer l’IES tout comme les algorithmes MMSE, tout en contraignant la constellation des symboles. Cette contrainte est imposée par un bloc de traitement que l’on appelle « Constellation Marcher » qui se charge donc de réaligner l’estimée MMSE des symboles avec la constellation connue. Ainsi, on fait apparaître un traitement symbole itératif entre un filtre et ce bloc de Constellation Matcher. Afin d’étendre les capacités de l’EP aux signaux FTN, nous proposons différentes familles de distributions dans lesquelles les messages d’EP sont échangées. Nous étudions trois familles qui donnent lieu à un traitement EP temporel pour la famille la plus classique, un traitement EP fréquentiel sous réserve d’utiliser la mise en forme circulaire du FTN, ainsi qu’un traitement Widely Linear (WL) qui sépare le traitement des voies I et Q du signal reçu. Ces différents récepteurs EP pour FTN sont alors utilisés dans le cadre de l’étude multi-critères et nous montrons des gains en SNR allant jusqu’à 8 dB par rapport aux communications Nyquist, tout en limitant la complexité calculatoire. Les différents types de récepteurs EP permettent alors d’avoir un compromis entre complexité calculatoire et taux d’erreurs. Le dernier cadre d’application de cette étude est le contexte multi-porteuses du FTN. Étant donné les bénéfices des approches EP pour l’étude multi-critères, nous adaptons ces algorithmes au cas multi-porteuses et montrons alors des gains importants par rapport à la littérature, mais également vis-à-vis des communications Nyquist.


  • Résumé

    This thesis is a multi-criteria study of the Faster-Than-Nyquist (FTN) technique. We first consider in the context of single-carrier communications without propagation channel. We assume two types of FTN signal shaping: the linear FTN classically studied, and the circular FTN which has the advantage of simplifying the filtering process that can be performed in the frequency domain. Under these assumptions, we define different criteria of interest: spectral efficiency, energy efficiency through Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), computational complexity of the reception algorithms. We then show that the potential of FTN is higher than the one of Nyquist communications because it allows the PAPR to be optimized. However, FTN signaling is not currently used because of the computational complexity required by the reception algorithms for Inter-Symbol Interference (ISI) processing. Indeed, Minimum Mean-Square-Error (MMSE) filtering approaches offer substantial gains at low spectral efficiency, but there is a need to switch to Maximum A Posteriori (MAP) detectors, which are more efficient in terms of error rate when the ISI is too powerful. However, these MAP approaches require computational complexity that is prohibitively high for rich constellations. Thus, we are interested in passing message algorithms to reduce the computational cost of interference processing. To do so, we propose to use Expectation Propagation (EP) which aims at filtering the ISI just like MMSE algorithms, while constraining the constellation of symbols. This constraint is imposed by a processing block called "Constellation Matcher" which is responsible for realigning the MMSE estimate of the symbols with the known constellation. Hence, an iterative symbol processing appears between a filter and this Constellation Matcher block. In order to extend the capabilities of the EP to FTN signals, we propose different distributions families in which EP messages are exchanged. We study three families that give rise to the time-domain EP processing for the most classical family, the frequency-domain EP processing subject to the use of the circular shaping of the FTN, and the Widely Linear (WL) approach which processes separately the I and Q parts of the received signal. These different EP receivers for FTN are then used in the multi-criteria study and we show SNR gains up to 8 dB compared to Nyquist communications, while limiting the computational complexity. The different types of EP receivers then allow a trade-off between computational complexity and error rate. The last application framework of this study is the multi-carrier context of the FTN signaling. Given the benefits of EP approaches for the multi-criteria study, we adapt these algorithms to the multi-carrier case and show significant gains compared to the literature, but also compared to Nyquist communications.


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