Précodage et estimation des canaux sélectifs en fréquence pour les systèmes millimétriques MIMO hybrides

Abstract

De nombreuses nouvelles applications, telles que la voiture connectée, la réalité augmentée, la réalité virtuelle, la réalité mixte, la vidéo tridimensionnelle, la vidéo ultra-haute d´définition, l’internet industriel des objets, les villes intelligentes, la santé connectée, etc., verront le jour dans la prochaine décennie. Ces applications nécessitent de connecter un grand nombre de nouveaux appareils et d’échanger davantage de données. Par exemple, entre 2018 et 2024, le trafic mobile mondial devrait augmenter de 30% par an, tandis que la demande de capacité devrait ˆêtre multipliée par 1 000 au cours de la prochaine décennie. Par rapport à la quatrième génération (4G), la cinquième génération (5G) promet d’augmenter le débit de données utilisateur de 10 à 100 (jusqu’à 10 Gbit/s), de réduire la latence de 10, d’augmenter la densité de connectivité de 10 et de réduire les coûts et la consommation d’énergie. Les chercheurs tentent de proposer des solutions innovantes en réponse au besoin croissant de trafic de données et de connectivité ´étendue, ainsi qu’à la rareté du spectre radio inférieur à 6 GHz. Celles-ci reposent principalement sur de nouvelles techniques de traitement du signal, la densification du réseau ou l’utilisation de bandes de fréquences supplémentaires. En ce qui concerne les nouvelles bandes, le spectre des ondes millimétriques (mmWave) se situe entre 30 GHz et 300 GHz, et la large bande passante inutilisée dans ces bandes peut permettre aux systèmes sans fil de supporter des augmentations massives de la demande de capacité. Par conséquent, les communications mmWave seront essentielles dans la 5G et les futures générations de réseaux cellulaires. Cependant, la mise en œuvre des communications millimétriques avec les antennes multiples MIMO (multiple-input multiple-output) reste un challenge. Ainsi, trois d´défis majeurs sont à surmonter à savoir : 1) la limitation matérielle, 2) le coût d’acquisition des canaux et 3) la complexité de la conception du précodage. Afin de faire face à ces difficultés majeures, des algorithmes de précodage et d’estimation de canal pour mmWave et MIMO massif sont développés dans cette thèse. Les méthodes proposées mettent en œuvre une modulation multiporteuse d’amplitude en quadrature décalée à bande de filtres (FBMC-OQAM) et des architectures hybrides analogiques/numériques qui divisent le précodage et combinent le traitement dans les domaines RF et en bande de base, ce qui résulte en une ´économie de coûts et d’énergie. De plus, pour réduire la complexité de conception du précodeur et les coûts de formation de voies, les algorithmes d´développés dans la thèse tirent parti de la structure et des fonctionnalités des canaux mmWave et MIMO massifs. Ainsi, les principales contributions de la thèse sont : (a) le d´développement d’algorithmes de précodage hybrides et des livres de codes pour les systèmes mmWave sélectifs en fréquence (FS), (b) l’étude de la viabilité de l’utilisation de la forme d’onde de signalisation FBMC-OQAM pour les communications mmWave de prochaine génération, et (c) le d´développement d’un algorithme d’estimation de canal pour les systèmes à ondes millimétriques basés sur une architecture hybride profitant de la nature parcimonieux des canaux à ondes millimétriques.