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Theses Year : 2020

Non-coherent wireless communications : fundamental limits and system design

Communications sans fil non-cohérentes : limites fondamentales et conception du système

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Abstract

In wireless communication over fading channels, especially multiple-antenna communication, the instantaneous knowledge of channel coefficients, so-called channel state information (CSI), is critical because it enables to adapt the transmission and reception to current channel conditions. The communication with a priori CSI at the receiver is said to be coherent. In practice, however, CSI is not granted for free prior to communication and needs to be estimated at a cost that should not be ignored, especially in a highly mobile environment. Thus, communication without a priori CSI, also known as noncoherent communication, is a more practical and general framework. This thesis contributes to the understanding of the theoretical limits of noncoherent communications, as well as the design of a practical noncoherent communication system in block fading. We consider three scenarios: the point-topoint (P2P) channel, the multiple-access channel (MAC), and the broadcast channel (BC).In the first part, we study the fundamental limits of noncoherent communications in terms of achievable data rate and degrees of freedom (DoF). We consider generic block fading in which the channel has finite differential entropy and finite second moment. First, we derive the optimal DoF for the noncoherent multiple-input multiple-output (MIMO) P2P channel by using the duality approach to bound the input-output mutual information. Second, using a similar duality approach, we derive the optimal DoF region for the two-user noncoherent single-input multiple-output (SIMO) MAC, which can be achieved by time sharing between simple pilot-based schemes. Third, we derive achievable rate and DoF regions for the noncoherent MIMO BC with spatially correlated fading by exploiting the transmit correlation diversity, which is the difference between the correlation experienced by different users. In doing so, we carefully design pilot-based transmission schemes based on rate splitting, product superposition, and a combination of them to effectively transmit signals in both the common and mutually exclusive parts of the correlation subspaces. In the second part, we design the constellation and efficient detection schemes for noncoherent communications over Rayleigh block fading channel. First, we propose a structured Grassmannian constellation for the SIMO P2P channel that is simple to generate, has high packing efficiency, admits a simple yet effective binary labeling, and allows for efficient soft and hard detection. Second, we investigate joint constellation design for the MIMO MAC. We introduce some simple and effective design criteria so as to minimize the joint detection error, and propose some simple constellation constructions. Third, we propose a noncoherent multi-user soft detection scheme for the SIMO MAC in spatially correlated Rayleigh fading based on expectation propagation approximate inference. This scheme has polynomial complexity in the channel dimension while producing accurate approximate per-user posterior marginals leading to near-optimal error performance.
Dans les communications sans fil sur des canaux à évanouissement, en particulier à antennes multiples, la connaissance instantanée des coefficients de canal, appelés informations d’état de canal (CSI), est essentielle car elle permet d’adapter la transmission et la réception aux conditions actuelles du canal. La communication avec CSI a priori au niveau du récepteur est dite cohérente. En pratique, cependant, le CSI n’est pas disponible avant la communication et doit être estimé à un coût qui ne doit pas être ignoré, en particulier dans un environnement hautement mobile. Ainsi, la communication sans CSI a priori, également appelée communication noncohérente, est un cadre plus pratique et général. Cette thèse contribue à la compréhension des limites théoriques des communications noncohérentes, ainsi qu’à la conception d’un système de communication pratique noncohérent à évanouissement par bloc. Nous considérons trois scénarios: le canal point à point (P2P), le canal à accès multiple (MAC) et le canal de diffusion (BC).Dans la première partie, nous étudions les limites fondamentales des communications noncohérentes en termes de débit de données et de degrés de liberté (DoF) réalisables. Nous considérons un évanouissement par bloc générique dans lequel le canal a une entropie différentielle finie et un second moment fini. Nous établissons d’abord le DoF optimal pour le canal P2P noncohérent à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) en utilisant l’approche de la dualité pour borner les informations mutuelles. Deuxièmement, en utilisant une approche de dualité similaire, nous dérivons la région de DoF optimale pour le MAC SIMO à deux utilisateurs, qui peut être obtenue par partage de temps entre des schémas à pilotes simples. Troisième, nous dérivons les régions débit et DoF réalisable pour le BC MIMO noncohérent avec un évanouissement spatialement corrélé en exploitant la diversité de corrélation de transmission, qui est la différence entre la corrélation subie par différents utilisateurs. Ce faisant, nous concevons soigneusement des schémas de transmission basés sur des pilotes et sur le partage de débit, la superposition de produits et une combinaison de ceux-ci pour transmettre efficacement des signaux dans les parties communes et mutuellement exclusives des sous-espaces de corrélation. Dans la deuxième partie, nous concevons la constellation et les schémas de détection efficaces pour les communications noncohérentes sur le canal d’évanouissement de type Rayleigh par bloc. Premièrement, nous proposons une constellation Grassmannienne structurée pour le canal P2P SIMO qui est simple à générer, a une efficacité d’empilement élevée, admet un étiquetage binaire simple mais efficace et permet une détection efficace douce et dure. Deuxièmement, nous étudions la conception de constellation conjointe pour le MAC MIMO. Nous introduisons des critères de conception simples et efficaces afin de minimiser l’erreur de détection conjointe et proposons quelques constructions de constellation simples. Troisièmement, nous proposons un schéma de détection souple multi-utilisateurs noncohérent pour le MAC SIMO à l’évanouissement de Rayleigh corrélé spatialement basé sur l’inférence approximative par propagation d’espérance. Ce schéma présente une complexité polynomiale dans la dimension du canal tout en produisant des marginaux postérieurs approximatifs par utilisateur précis conduisant à des performances d’erreur quasi-optimales.
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tel-02900446 , version 1 (16-07-2020)

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  • HAL Id : tel-02900446 , version 1

Cite

Khac Hoang Ngo. Non-coherent wireless communications : fundamental limits and system design. Signal and Image processing. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASC031⟩. ⟨tel-02900446⟩
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