Contribution à l'étude des systèmes de communication en liaison descendante muti-antenne mutli-utilisateur avec voie de retour

Conribution to multi-antenna Multi-user downlink communication systems with feedback

• Auteur / Autrice : Hajer Khanfir
• Direction : Michel Terré, Didier Le Ruyet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, métrologie et communications
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris, CNAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multicast (réseaux d'ordinateurs)

Systèmes à entrées multiples et à sorties multiples

Résumé

Les futures générations de réseaux sans fil ont besoin d’une meilleure utilisation des ressources afin de satisfaire la demande croissante en services tels que la voix, le transfert de données et les applications multimédia. Les travaux de cette thèse ont porté sur la maximisation des débits de transmission dans trois différents systèmes multi-antenne en voie descendantes : le premier et le second sont respectivement les systèmes mono-utilisateur et multi-utilisateur avec une connaissance partielle du canal de transmission et le troisième est le système multi-diffusion multi-utilisateur. Pour les deux premiers systèmes, nous avons étudié et comparé deux méthodes de transmission des données sur voies de retour renvoyant respectivement des données quantifiées et non-quantifiées. Pour les systèmes multi-antenne multi-utilisateur, nous avons proposé une technique de réduction du flux sur les voies de retour qui permet à la fois de préserver la diversité multi-utilisateur tout en réduisant la complexité de l’algorithme de sélection des utilisateurs. Une partie de l’algorithme de sélection des utilisateurs proposé est implémenté au niveau des récepteurs. Le flux sur la voie de retour est contrôlé par des seuils fixés par la station de base en fonction du nombre d’utilisateurs dans la cellule. Nous avons montré que dans ce cas les performances du système sont bien plus affectées par la précision de la quantification de la direction que celle de la norme du canal. Nous avons aussi dérivé une borne inférieure sur la somme des capacités du système proposé. Nous avons également étudié les performances des deux systèmes multi-antenne multiutilisateur et mono-utilisateur quand les voies de retours sont altérées par du bruit. Dans le cas du système multi-utilisateur, nous avons proposé un algorithme de réduction de bruit cas du système multi-utilisateur, nous avons proposé un algorithme de réduction de bruit sur les voies de retour. Finalement, dans le cas du système multi-utilisateur multi-diffusion (multicast), nous avons proposé deux algorithmes de sélection des utilisateurs ayant pour objectif de maximiser le débit de l’ensemble des utilisateurs. Le premier algorithme est proposé dans un contexte mono-antenne, alors que le second algorithme est dans un contexte multi-antenne à l’émission. Ces algorithmes ont été étudiés pour une transmission par multiplexage fréquentiel de sous-porteuses orthogonales (OFDM) et permettent également des allocations de ressources optimisées par la sélection des utilisateurs.

The next generation of wireless networks will require more efficient use of the system resources to accommodate the demand for voice, video, and data transmission. In this thesis, we investigate methods to increase the transmission rate in three different downlink multi-antenna systems : the first and the second are respectively the single user and multi-user systems with partial channel state information (CSIT), the third one is the multicast multi-user system. For the first two systems, we studied and compared two feedback methods : the limited feedback, where a quantized version of the CSI is transmitted to the scheduler and the analog feedback method. For the multi-antenna multi-user systems,we proposed a technique to reduce the feedback load for multi-antenna multi-user system,this technique can at the same time preserve the multi-user diversity while reducing the complexity of the user selection algorithm. A part of the proposed user-selection algorithm is implemented on the users’ sides. The feedback load on the uplink channels is controlled by thresholds which are determined by the base station according to the number of users in the cell. We showed that in this case the system performances are more affected by the size quantization of the channel direction than the size quantization of the channel magnitude. We also derived a lower bound on the ergodic sum rate for the proposed system. We also studied the single and multi-user system performance when the feedback channels are affected by the noise. In the case of the multi-user system, we proposed an algorithm to reduce this noise on the feedback channels. Finally, in the case of the multi-user muticast system, we proposed two user selection algorithms in order to maximize the total sumrate. We analyze the performance of these algorithms in multicast orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems with single and multiple transmit antennas. We showed that the resource allocation that includes the subcarrier allocation, bit loading, and the precoding vector selection in the multiple-input single-output (MISO) case is a difficult optimization problem. Consequently, we propose suboptimal algorithms based on the maximization of the sum data rate and the maximization of the minimum user data rate criteria.