Study and optimization of new differential space-time modulation schemes based on the Weyl group for the second generation of MIMO systems - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Study and optimization of new differential space-time modulation schemes based on the Weyl group for the second generation of MIMO systems

Étude et optimisation des nouveaux schémas de modulation temps-espace différentielle basés sur le groupe de Weyl pour la seconde génération de systèmes MIMO

Résumé

At present, the study of multi-antenna systems MIMO (Multiple Input Multiple Output) is developed in many cases to intensively increase the number of base station antennas ("massive MIMO", "large-scale MIMO" ), particularly in order to increase the transmission capacity, reduce energy consumed per bit transmitted, exploit the spatial dimension of the propagation channel, reduce the influence of fading, etc. For MIMO systems with narrowband or those using OFDM technique (Orthogonal Frequency Division Multiplex), the propagation channel (or the sub-channels corresponding to each sub-carrier of an OFDM system) are substantially flat (frequency non-selective). In this case the frequency response of each SISO channel is invariant with respect to frequency, but variant in time. Furthermore, the MIMO propagation channel can be characterized in baseband by a matrix whose coefficients are complex numbers. Coherent MIMO systems need to have the knowledge of the channel matrix to be able to demodulate the received signal. Therefore, periodic pilot should be transmitted and received to estimate the channel matrix in real time. The increase of the number of antennas and the change of the propagation channel over time, sometimes quite fast, makes the channel estimation quite difficult or impossible. It is therefore interesting to study differential MIMO systems that do not need to know the channel matrix. For proper operation of these systems, the only constraint is that the channel matrix varies slightly during the transmission of two successive information matrices. The subject of this thesis is the study and analysis of new differential MIMO systems. We consider systems with 2, 4 and 8 transmit antennas, but the method can be extended to MIMO systems with 2n transmit antennas, the number of receive antennas can be any positive integer. For MIMO systems with two transmit antennas that were studied in this thesis, information matrices are elements of the Weyl group. For systems with 2n (n ≥ 2) transmit antennas, the matrices used are obtained by performing the Kronecker product of the unitary matrices in Weyl group. For each number of transmit antennas, we first identify the number of available matrices and the maximum value of the spectral efficiency. For each value of the spectral efficiency, we then determine the best subsets of information matrix to use (depending on the spectrum of the distances or the diversity product criterion). Then we optimize the correspondence or mapping between binary vectors and matrices of information. Finally, the performance of differential MIMO systems are obtained by simulation and compared with those of existing similar systems. For simulation of the proposed system, we first selected a simple Rayleigh channel model, which is widely used in the literature. In this channel model, the channel matrix is constant for a time interval of a certain length determined by the coherence time of the propagation channel. Each new channel matrix is obtained by a random draw, independent from previous draws. This channel model is impractical and, for the differential systems, need to simulate a periodic reset of the system, whenever using another channel matrix. To evaluate the performance of the new proposed systems in more realistic conditions and escape the periodic reset of the analyzed system, we integrated a variation of the channel matrix between two successive random draws by using the sampling theorem. However, in the first approach, the channel matrix is considered to be constant during the transmission of a matrix. Simulations with this new channel model made it possible to spotlight some performance degradation due to the channel characteristic, especially when the normalized coherence time with respect to the duration of a transmitted symbol is reduced and therefore, when the propagation channel varies rapidly . Finally, we considered the second even closer approach to reality, where the channel matrix remains constant during the transmission of only a symbol. In this case there is a further performance degradation.
Actuellement, l’étude des systèmes multi-antennaires MIMO (Multiple Input Multiple Output) est orientée dans beaucoup de cas vers l’augmentation considérable du nombre d’antennes de la station de base (« massive MIMO », « large-scale MIMO »), afin notamment d’augmenter la capacité de transmission, réduire l’énergie consommée par bit transmis, exploiter la dimension spatiale du canal de propagation, diminuer l’influence des évanouissements, etc. Pour les systèmes MIMO à bande étroite ou ceux utilisant la technique OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), le canal de propagation (ou les sous-canaux correspondants à chaque sous-porteuse d’un système OFDM) sont pratiquement plats (non-sélectifs en fréquence), ce qui revient à considérer la réponse fréquentielle de chaque canal SISO invariante par rapport à la fréquence mais variante dans le temps. Ainsi, le canal de propagation MIMO peut être caractérisé en bande de base par une matrice dont les coefficients sont des nombres complexes. Les systèmes MIMO cohérents nécessitent pour pouvoir démoduler le signal en réception de disposer de la connaissance de cette matrice de canal, donc le sondage périodique, en temps réel, du canal de propagation. L’augmentation du nombre d’antennes et la variation dans le temps, parfois assez rapide, du canal de propagation, rend ce sondage de canal difficile, voire impossible. Il est donc intéressant d’étudier des systèmes MIMO différentiels qui n’ont pas besoin de connaître la matrice de canal. Pour un bon fonctionnement de ces systèmes, la seule contrainte est que la matrice de canal varie peu pendant la transmission de deux matrices d’information successives. Le sujet de cette thèse concerne l’étude et l’analyse de nouveaux systèmes MIMO différentiels. On considère des systèmes à 2, 4 et 8 antennes d’émission, mais la méthode utilisée peut être étendue à des systèmes MIMO avec 2n antennes d’émission, le nombre d’antennes de réception étant quelconque. Pour les systèmes MIMO avec 2 antennes d’émission qui ont été étudiés dans le cadre de cette thèse, les matrices d’information sont des éléments du groupe de Weyl. Pour les systèmes avec 2n antennes d’émission, (n ≥ 2), les matrices utilisées sont obtenues en effectuant des produits de Kronecker des matrices unitaires du groupe de Weyl. Pour chaque nombre d’antennes d’émission on identifie d’abord le nombre de matrices disponibles et on détermine la valeur maximale de l’efficacité spectrale. Pour chaque valeur de l’efficacité spectrale on détermine les meilleurs sous-ensembles de matrices d’information à utiliser (selon le spectre des distances ou le critère du produit de diversité). On optimise ensuite la correspondance ou mapping entre les vecteurs binaires et les matrices d’information. Enfin, on détermine par simulation les performances des systèmes MIMO différentiels ainsi obtenus et on les compare avec celles des systèmes similaires existants. Pour la simulation des systèmes proposés, on a d’abord sélectionné un modèle simple de canal de Rayleigh, largement utilisé dans la littérature, en considérant la matrice de canal constante pendant un intervalle de temps d’une certaine durée déterminée par le temps de cohérence du canal de propagation. Chaque nouvelle matrice de canal s’obtient par un tirage aléatoire, indépendant des tirages précédents. Ce modèle de canal est peu réaliste et, pour les systèmes différentiels, impose pour la simulation une réinitialisation périodique du système, chaque fois qu’on utilise une autre matrice de canal. Afin de déterminer les performances des nouveaux systèmes proposés dans des conditions plus réalistes et échapper à la réinitialisation périodique du système analysé, nous avons intégré une variation de la matrice de canal entre deux tirages aléatoires successifs en utilisant le théorème de l’échantillonnage. Cependant, dans cette première approche, la matrice de canal est considérée comme constante durant l’émission d’une matrice. Les simulations effectuées avec ce nouveau modèle de canal ont permis de mettre en évidence une certaine dégradation des performances, surtout quand le temps de cohérence normalisé par rapport à la durée d’un symbole émis est réduit et donc, quand le canal de propagation varie rapidement. Dans un second temps, nous avons considéré une seconde approche encore plus proche de la réalité, pour laquelle la matrice de canal reste constante durant uniquement l’émission d’un symbole. On observe dans ce cas une dégradation supplémentaire des performances.
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Dates et versions

tel-01231878 , version 1 (26-11-2015)
tel-01231878 , version 2 (11-04-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01231878 , version 1

Citer

Hui Ji. Study and optimization of new differential space-time modulation schemes based on the Weyl group for the second generation of MIMO systems. Electronics. INSA de Rennes, 2015. English. ⟨NNT : 2015INSAR24⟩. ⟨tel-01231878v1⟩
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