Analyse de performance d'un grand réseau mobile (Spécifique: Communications sans fil non-cohérentes pour les systèmes multi-utilisateurs à antennes multiples, et applications aux réseaux cellulaires de prochaine generation)

par Khac hoang Ngo

Projet de thèse en Réseaux, information et communications

Sous la direction de Sheng Yang et de Maxime Guillaud.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne) , en partenariat avec L2S - Laboratoire des signaux et systèmes (laboratoire) , Télécoms et Réseaux (equipe de recherche) et de CentraleSupélec (2015-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-07-2017 .


  • Résumé

    Les systèmes de communication sans fil à antennes multiples (MIMO, Multiple-Input Multiple-Output) ont connu un développement constant depuis la fin des années 1990. La technologie MIMO est désormais mûre, et figure au coeur des techniques incorporées aux systèmes cellulaires de quatrième génération (4G). Le développement le plus récent dans ce domaine, le MIMO Massif consiste à incorporer un grand nombre d'antennes, d'un côté au moins du lien de communication cellulaire (typiquement du côté de la station de base). Les canaux de propagation sans fil rencontrés en pratique subissent un évanouissement qui varie rapidement dans le temps. Suivant la vélocité relative de l'émetteur, du récepteur, et des réflecteurs éventuels, ces paramètres de gain ne peuvent être considérés comme constants que pendant de très courts intervalles de. L'information sur l'état (en particulier le gain) du canal de propagation est un ingrédient critique dans la conception des systèmes actuels : cette information est utile au récepteur pour la détection cohérente des données transmises ; si elle est disponible à l'émetteur, elle permet de multiplexer plusieurs signaux à destination d'un ou de plusieurs récepteurs sur la même ressource temps-fréquence (on parle alors de multiplexage spatial). Une approche largement considérée dans la littérature (et utilisée en pratique) consiste à recourir à la transmission périodique de symboles de référence (connus du récepteur) permettant d'estimer l'état du canal à un instant donné. Cette information peut dès lors être utilisée par le récepteur, pour le décodage des données, renvoyée à l'émetteur, qui l'utilisera pour optimiser la transmission, ou les deux. On le voit, cette approche (dite cohérente) consiste en une stricte séparation logique entre l'estimation du canal d'une part, et les mécanismes de codage, de transmission et de réception d'autre part, ces derniers fonctionnant suivant les principes développés sous l'hypothèse que l'état du canal est connu. Une approche alternative, dite non-cohérente, consiste à concevoir les codes de canal ainsi que les mécanismes d'émission et de réception sans recourir à l'hypothèse que l'état instantané du canal sera connu ou estimé. L'objet de cette thèse est de fournir des avancées dans le domaine des communications non-cohérentes. Les avantages attendus de l'approche non-cohérente se manifestent dans: 1) la réduction de l'occupation spectrale due aux symboles de référence, et 2) une latence réduite (le décodage peut être effectué sans attendre la fin du processus d'estimation d'état du canal). Le sujet considéré dans cette thèse consiste dans l'inclusion de l'information statistique sur l'état du canal à l'analyse des communications non cohérentes. Cette information statistique (typiquement, capturée et représentée par la corrélation spatiale du processus aléatoire représentant l'état du canal) représente un compromis entre la connaissance instantanée de l'état du canal, et l'absence totale d'information sur celui-ci. Elle est plus stable dans le temps (et donc plus facile à obtenir et moins coûteuse en ressources) que l'information d'état instantanée. Néanmoins, en particulier dans le cas du MIMO massif où les gains entres les canaux correspondant aux différentes antennes d'un même réseau sont très corrélés, cette information statistique est très informative. Les objectifs de la présente thèse sont multiples : - Extension de l'analyse des limites théoriques (en terme de capacité, soit en terme de degrés de liberté) des communications non-cohérentes sur les canaux MIMO à évanouissement au cas où la connaissance statistique de l'état du canal est disponible à l'émetteur et/ou au récepteur. En particulier, il sera intéressant de déterminer dans quelle mesure cette connaissance statistique de l'état du canal modifie le gain de multiplexage pouvant être atteint dans un système multi-utilisateur. - Proposition d'un schéma de communication non-cohérent multi-utilisateur incorporant l'information statistique sur l'état du canal. Une des pistes de recherche sera de considérer la généralisation des codes Grassmanniens développés pour le cas non-cohérent mono-utilisateur. Il sera également intéressant de considérer l'opportunité de s'écarter des schémas classiques des codes multi-utilisateurs reposant sur le principe de la superposition. - Etude et développement de versions à faible complexité des codes décrits précédemment. Un développement favorable du travail de thèse consisterait à l'incorporation de certaines des idées générées dans le cadre de ces travaux au processus de normalisation des systèmes 5G.

  • Titre traduit

    Performance analysis of a large mobile network (Specific: Non-coherent wireless communications for multi-user multi-antenna systems, and applications for next-generation cellular networks)


  • Résumé

    Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems have evolved constantly since the late 1990s. MIMO technology is now mature and is at the heart of the techniques incorporated into fourth-generation cellular systems Generation (4G). The most recent development in this field, Massive MIMO, consists in incorporating a large number of antennas, on at least one side of the cellular communication link (typically on the base station side). The wireless propagation channels encountered in practice undergo a fading which varies rapidly over time. Depending on the relative velocity of the transmitter, the receiver, and any reflectors, these parameters can only be considered as constant for very short time intervals of the order of one millisecond. Channel state information is a critical ingredient in the design of current systems: this information is useful to the receiver for coherent detection of the data transmitted. If it is available to the transmitter, it makes it possible to multiplex several signals to one or more receivers on the same time-frequency resource (known as spatial multiplexing). An approach widely considered in the literature (and used in practice) consists in using periodic transmission of pilot symbols (known to the receiver) to estimate the state of the channel at a given instant. This information can then be used by the receiver, for decoding the data, or sent back to the transmitter, which will use it to optimize the transmission, or both. As can be seen, this (coherent) approach consists of a strict logical separation between the estimation of the channel on the one hand and the coding, transmission and reception mechanisms on the other. The latter operating according to the principles developed under the assumption that the state of the channel is known (possibly imperfectly). An alternative non-coherent approach consists in designing the channel codes as well as the transmission and reception mechanisms without resorting to the hypothesis that the instantaneous state of the channel is known or estimated. The aim of this thesis is to provide advances in the field of non-coherent communications. The expected benefits of the non-coherent approach are manifested in: 1) the reduction of the spectral occupancy due to the pilot symbols; and 2) reduced latency (decoding can be done without waiting for the end of the channel state estimation process). The subject considered in this thesis consists in the inclusion of the statistical information on the state of the channel in the analysis of the non-coherent communications. This statistical information (typically captured and represented by the spatial correlation of the random process representing the state of the channel) represents a compromise between the instantaneous knowledge of the state of the channel and the total absence of information about it. It is more stable over time (and therefore easier to obtain and less expensive in resources) than instantaneous state information. Nevertheless, particularly in the case of solid MIMO where the gains between the channels corresponding to the different antennas of the same network are highly correlated, this statistical information is very informative. The objectives of this thesis are multiple: - Extension of the analysis of the theoretical limits of non-coherent communications on fading MIMO channels in the event that statistical knowledge of the channel status is available at the transmitter and / or receiver. These limits can be considered either in terms of capacity or in terms of degrees of freedom. In particular, it will be interesting to determine to what extent this statistical knowledge of the state of the channel modifies the multiplexing gain that can be achieved in a multi-user system. - Proposition of a multi-user non-coherent communication scheme incorporating the statistical information on the state of the channel. One of the lines of research will be to consider the generalization of the Grassmannian codes developed for the non-coherent single-user case. It will also be interesting to consider the desirability of deviating from the classic schemes of multi-user codes based on the principle of superposition. - Study and development of low-complexity versions of the codes described above. A favorable development of the thesis work would involve the incorporation of some of the ideas generated in this work into the 5G systems standardization process.