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Thèse Année : 2019

Study and implementation of widely linear (WL) receiver for filter bank based multicarrier (FBMC-OQAM) modulations over frequency selective channels

Apports du filtrage de type « Widely Linear » aux modulations multi-porteuses à base de bancs de filtres (FBMC-OQAM) sur des canaux sélectifs en fréquence

Résumé

The increasing demand of user’s requirements is one of the main reasons in technical progress and development of modern wireless communication systems. Thus, since 2G and beyond, there have been many changes, especially, the switch from the mono carrier to the multi-carrier (MC), introduced for the Down-Link (DL) 4G transmission. Indeed, the predo- minant idea behind introducing MC waveforms (WF) is to get rid of the propagation channel effects, by relaxing the equalization process through the transmission of the data symbols over flat fading sub-channels or sub-carriers. Furthermore, the widely adopted MC WF is the ortho- gonal frequency division multiplexing (OFDM), which became very popular and widely used in many wireless standards like long term evolution (LTE)- Advanced (LTE-A) andWi-Fi. The standardization of OFDM, for these applications and also for some others, is related to the ad- vantages shown by this MC WF. One of these advantages is its simple implementation through the use of the inverse fast Fourier transform (IFFT) at the transmitter side, and a FFT at the receiver side. Also, OFDM introduces a cyclic prefix (CP), making the transmission free from inter-symbol-interference (ISI).Despite the large success of the OFDM WF, this technique suffers from the loss of spec- tral efficiency due to the use of the CP. Besides, it suffers from bad frequency localization due the use of a rectangular prototype filter. These OFDM drawbacks, have motivated researchers to design new MC WF, with better frequency domain localization, better robustness to user’s synchronism, while keeping moderate implementation complexity. In this context, high num- ber of post-OFDM MC WF have been proposed and implemented to meet 5G scenarios and requirements in a flexible manner.Therefore, the offset-quadratureamplitudemodulation-based filter-bankmulti-carrier(FBMC- OQAM) has been proposed as an alternative to overcome some drawbacks of the OFDM WF. Indeed, FBMC-OQAM is characterized by owning one of the best frequency localiza- tion among all the post-OFDM WFs, thanks to its prototype filter (Phydyas), providing then the best performance in supporting asynchronous and mixed numerologies transmissions. Be- sides, it offers high spectrum efficiency since it avoids the use of CP and large guard bands. Furthermore, the orthogonality in real domain is guaranteed thanks to the use of the OQAM modulation. However, this orthogonality is lost under frequency selective channels which re- quires advanced equalization techniques.In this context, the main objective of this thesis is to study different types of equalization applied on FBMC-OQAM system. Since the modulation used in the FBMC-OQAM system can be seen as the transmission of two M−PAM modulations over one single carrier and since the widely linear processing outperforms the classical one for M−PAM modulation, we will focus on the advantages of using the widely linear processing over FBMC-OQAM system. Ad- ditionally, and based on the cyclo-stationarity of the FBMC-OQAM signal, we have proposed an advanced equalization structure based on FRESH processing that have been applied in to a FBMC-OQAM system using different numerologies.
Parmi les principales raisons qui ont aboutit au progrès technique et au développement des systèmes de communication sans fils modernes, on trouve la forte demande des besoins et des exigences des différents utilisateurs. Ainsi, depuis les systèmes de deuxième génération (2G), de nombreux changements ont eu lieu, principalement, le passage des modulations (WF) mono-porteuses aux modulations multi-porteuses (MC) introduites pour la transmission de la 4G en sens descendant.En effet, l'idée d'introduire les formes d'ondes MC est de se débarrasser des effets du canal de propagation, en relâchant le processus d’égalisation par la transmission des symboles de données sur des sous-canaux ou des sous-porteuses à évanouissements plats. En outre, la modulation MC la plus répandue est l'orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), qui est devenu très dominante et largement utilisée dans de nombreuses normes sans fil, telles que long term evolution (LTE)- Advanced (LTE-A) et le Wi-Fi. Ce succès de l'OFDM est du grâce à ses avantages présentés dans la simple implémentation par le biais de l'utilisation de la transformée de Fourrier rapide inverse (IFFT) à la transmission et de la transformé de Fourrier rapide à la réception. De plus, avec l'utilisation du préfixe cyclique (CP), la transmission est ainsi sans interférences inter-symboles (ISI).Malgré la dominante utilisation de l'OFDM MW, néanmoins, elle présente des inconvénients. En effet, cette technique souffre de la perte de l'efficacité spectrale à cause de l'utilisation du CP, sans oublier la mauvaise localisation fréquentielle à cause de la mise en forme rectangulaire du filtre prototype utilisé dans OFDM. Ces inconvénients ont été une source de motivation pour les chercheurs pour la conception d'une nouvelle MC WF, ayant une meilleure localisation fréquentielle, une meilleure robustesse au synchronisme des utilisateurs, tout en conservant une complexité de mise en oeuvre modérée. Dans ce contexte, un nombre élevé de MC WF post-OFDM ont été proposés et mis en œuvre pour répondre aux scénarios et aux exigences de la 5G d'une manière flexible.Ainsi, la modulation multi-porteuse à base des bancs de filtres (FBMC-OQAM) a été proposée en tant qu'une solution alternative à l'OFDM WF et ce pour surmonter ses inconvénients. En effet, la modulation FBMC-OQAM utilise un filtre prototype (Phydyas) qui lui permet d'avoir une meilleure localisation fréquentielle ce que lui offre une meilleure performance en supportant les phénomènes d'asynchronisme entre les utilisateurs ainsi que la transmission avec différentes numérologies. En outre, l'efficacité spectrale est améliorée grâce à la non utilisation du CP et de bandes de garde larges. De plus, l'orthogonalité dans le domaine réel est garantie grâce à l'utilisation de la modulation OQAM. Cependant, cette orthogonalité est perdue dans les canaux sélectifs en fréquence, ce qui nécessite des techniques d'égalisation avancées.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier plusieurs types d'égalisation appliqués aux systèmes FBMC-OQAM. Vu que la modulation utilisée en FBMC-OQAM peut être considérée comme la transmission de deux flux de modulation M-PAM sur la même sous porteuse et comme le traitement largement linéaire est plus performant par rapport au traitement classique pour la modulatyion M-PAM, on va se concentrer sur les avantages de ce traitement largement linéaire utilisé pour le système FBMC-OQAM. En outre, en se basant qur e caractère cyclo-stationnaire du signal FBMC-OQAM, nous avons proposés une structure d'égalisation avancée basée sur le traitement FRESH qui a été appliqué sur un système FBMC-OQAM utilisant différente numélogies.
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Dates et versions

tel-02496085 , version 1 (02-03-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02496085 , version 1

Citer

Hayfa Fhima. Study and implementation of widely linear (WL) receiver for filter bank based multicarrier (FBMC-OQAM) modulations over frequency selective channels. Signal and Image processing. Conservatoire national des arts et metiers - CNAM; École supérieure des communications de Tunis (Tunisie), 2019. English. ⟨NNT : 2019CNAM1266⟩. ⟨tel-02496085⟩
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