Signal-Level Relaying Strategies for Broadband MIMO ARQ Communications - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Signal-Level Relaying Strategies for Broadband MIMO ARQ Communications

Stratégies de relayage niveau-signal pour les communications MIMO ARQ large bande

Résumé

Cooperative relaying, multiple-input multiple-output (MIMO), and hybrid-automatic repeat request (ARQ) are paramount techniques to enhance the transmission throughput and quality over the wireless broadband channel. The performance analysis reveals their gain, but also unveils the practical trade-offs they encompass: the spatial diversity of relays comes at the expense of the spectral-efficiency due to the half-duplex constraint; the multi-antenna channel rank deficiency at cell-edge---where a relay is supposed to be deployed---does not allow for the space-time multiplexing mode; the temporal diversity of a pure hybrid-ARQ process is quickly degraded by the long-term quasi-static nature of slow fading environments. The present thesis attempts to overcome these inherent challenges by proposing a joint design of the three techniques for communications over the MIMO-intersymbol interference (ISI) ARQ channel. In a pure signal-level approach, we exploit the rank-deficiency of the source-relay channel---stemming from either the scatterers distribution or the number of antennas at both sides---by adopting project-and-forward (PF)-type relaying. The projection concept is first validated by analyzing its performance over the realistic mixed MIMO-pinhole and Rayleigh flat fading relay channel---using a wide set of generalized mathematical functions. Invoking the residue theory, we study the system asymptotic behavior and infer practical design recommendations. We then apply the orthogonal projection concept to the MIMO-ISI relay channel to alleviate the half-duplex constraint. Hence, we introduce a PF-based signal-level cooperative spatial multiplexing (CM) architecture that allows for the shortening of the relaying phase without resorting to any symbol detection or re-mapping at the relay side. The end-to-end communication model is derived in a seamless fashion; as though the destination is receiving multiple transmissions from the source, which maintains the possibility to use advanced joint detection and combining algorithms at the destination side. The final step of this thesis consists on introducing a cross-layer design, where the projection is performed jointly over multiple MIMO-ARQ transmissions to increase both the diversity gain and the spectral efficiency.
Le relayage coopératif, multiple-input multiple-output (MIMO) et hybrid-ARQ sont des techniques primordiales pour améliorer le débit et la qualité des transmissions sans-fil sur les canaux large-bande. L'analyse de performance permet d'en évaluer les gains conséquents, mais également dévoile les compromis qu'elles impliquent: la diversité spatiale des relais est obtenue aux dépens de la capacité suite à la contrainte half-duplex; la déficience de rang du canal multi-antennes aux bordures de la cellule, où les relais sont généralement déployés, entrave l'activation du multiplexage spatio-temporel; la diversité temporelle du hybrid-ARQ se trouve rapidement dégradée par la nature quasi-statique et long-terme des environnements à évanouissement lent. Cette thèse essaie de surmonter ces enjeux inhérents en proposant une conception conjointe des trois techniques pour les communications sur les canaux MIMO-ARQ limités par les interférences entre symboles (IES). Dans une approche niveau-signal, nous exploitons la déficience de rang du canal source-relai---découlant de la distribution des réflecteurs et/ou du nombre d'antennes---en s'appuyant sur un relayage de type project-and-forward (PF). Le concept de projection est premièrement validé à travers l'analyse de sa performance sur un canal mixte MIMO-pinhole/Rayleigh à évanouissement plat, et ce en utilisant des fonctions mathématiques généralisées. En invoquant la théorie des résidus, nous étudions le comportement asymptotique du système, ce qui mène à des recommandations sur la conception des schémas de relayage basés sur PF. Nous appliquons ensuite le concept de projection orthogonale aux canaux MIMO à IES pour alléger la contrainte half-duplex. Ainsi, nous introduisons une architecture de multiplexage spatial coopératif à base de PF pour réduire la durée de la phase de relayage, sans toutefois recourir à la détection ou la remodulation au niveau du relais. Le modèle de communication mis en place permet d'assimiler le système de relayage à une transmission point à point MIMO, ce qui permet d'adopter les techniques de détection et de combinaison conjointes côté destination. Finalement, nous introduisons une conception inter-couches, où la projection est effectuée conjointement sur des transmissions MIMO-ARQ multiples, augmentant ainsi le gain de diversité et l'efficacité spectrale.
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tel-01310963 , version 1 (03-05-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01310963 , version 1

Citer

Hatim Chergui. Signal-Level Relaying Strategies for Broadband MIMO ARQ Communications. Signal and Image processing. Télécom Bretagne; Université de Bretagne Occidentale, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01310963⟩
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