Étude des systèmes de communication multi-antennes : capacité de canal et détection itérative

par Mohammad Ali Khalighi

Thèse de doctorat en Signal, image, parole, télécoms

Sous la direction de Geneviève Jourdain.

Soutenue en 2002

à Grenoble INPG .

mots clés

Résumé

Les systèmes MIMO (Multiple-Inputs Multiple-Outputs) sont connus pour pouvoir fournir des efficacités spectrales très importantes dans un milieu de propagation riche en diffuseurs. Ils peuvent donc être une solution pour la demande croissante de débit dans les systèmes de communication. D'autre part, les techniques de détection itérative sont très prometteuses pour la réduction de l'interférence entre symboles, et font un bon compromis entre complexité et performances. Le travail de recherche présenté dans cette thèse est dédié à l'étude de la capacité des systémes de communication multi-antennes, et en particulier les systèmes MIMO (Multiple-Inputs Multiple-Outputs), ainsi que les techniques de détection itérative. Dans un premier temps nous présentons une étude comparative de la capacité des systèmes multi-antennes dans les conditions de fading de Rayleigh. Nous étudions ensuite la capacité des systèmes MIMO dans les conditions de canal sélectif en fréquence. Puis, nous considérons la répartition optimale de puissance à l'émetteur, la solution Water Filling, et étudions le gain obtenu en capacité par rapport à la répartition uniforme de puissance sur les antennes émettrices. Ensuite, nous étudions la capacité des canaux MIMO avec fading de Rice, et les comparons avec ceux avec fading de Rayleigh. Nous nous intéressons ensuite aux techniques de turbo-détection et turbo-égalisation, et présentons une étude des performances (au sens du taux d'erreur binaire) quand les paramètres tels que le rapport signal à bruit (RSB) et la réponse impulsionnelle du canal ne sont pas parfaitement connus au récepteur. Ces cas sont rencontrés en pratique pour un canal variable en temps. Nous étudions dans un premier temps la sensibilité de différents turbo-détecteurs et turbo-égaliseurs pour un RSB biaisé. Nous proposons également une méthode d'estimation en ligne du RSB au récepteur et montrons la performance obtenue avec cette méthode. Enfin, dans une dernière partie, nous étudions la sensibilité de différents turbo-détecteurs et turbo-égaliseurs aux erreurs d'estimation de canal, et les comparons en terme de dégradation de performance due à ces erreurs.

Titre traduit

Study of multiple antenna communication systems : channel capacity and turbo-equalization

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Résumé

MIMO (Multiple-Inputs Multiple-Outputs) systems are known to provide very important spectral efficiencies in a rich scattering propagation medium. Therefore, these structures can be used as a solution to the ever-growing demand for high bit rates in wireless communication systems. On the other hand, techniques of iterative detection are well known to be efficient in inter-symbol interference reduction for delay-dispersive channels, and make a good tradeoff between complexity and performance. In this thesis, we study the capacity of multi-antenna communication systems (in particular MIMO systems) as well as the iterative detection techniques. At first, we present a comparative study of the multi-antenna systems capacity under the conditions of uncorrelated Rayleigh fading. Then, we study the capacity of MIMO systems in the case of frequency selective channels. The optimal power distribution over the transmit antennas (the Water Filling solution) is then considered, and the obtained gain in capacity via water filling is shown. Next, we study Ricean fading MIMO channels, and compare their capacity to that of Rayleigh fading channels. Afterwards, we consider the techniques of turbo-detection and turbo-equalization, and study will be done on their performances (in terms of bit error rate) when the parameters such as the signal-to-noise ratio (SNR) and the channel impulse response are not perfectly known at the receiver. These are usually the cases in practice for a time-varying channel. For this purpose, we study the sensitivity of different turbo-detectors and turbo-equalizers to an SNR mismatch. We propose a method for on-line SNR estimation at receiver for the case of Log-MAP turbo-detector and turbo-equalizers. Finally, we study the sensitivity of different turbo-detectors and turbo-equalizers to channel estimation errors, then compare them in terms of performance degradation due to these errors.