Récepteurs MIMO massif à complexité réduite en présence d’interférences

Abstract

Durant ces dernières années, la demande de trafic de données sans fil et le nombre de périphériques connectés ont augmenté de façon exponentielle. Face à ce challenge, il est pratique d’explorer des technologies innovantes qui permettrons l’augmentation des capacités des canaux. Le MIMO (multi-input-multi-output) massif est une des technologies prometteuses pour les systèmes cellulaires de prochaine génération 5G. L’idée du MIMO massif est de déployer un grand nombre d’antennes à la station de base pour servir simultanément plusieurs utilisateurs et fournir un gain de diversité élevé. Le MIMO massif peut théoriquement atteindre une amélioration considérable de débit du système, des degrés de liberté et de la fiabilité de la communication. Cependant, il existe plusieurs défis pour la conception de systèmes ayant un grand réseau d’antennes, y compris le traitement du signal à la réception et la gestion des interférences inter-cellulaires. L’objectif de cette thèse est d’étudier et de proposer des schémas de réception dans un système de communications MIMO massif en liaison montante. Dans ce contexte, le récepteur qui minimise l’erreur quadratique moyenne suscite un grand intérêt puisqu’il permet de réduire les effets des interférences et des évanouissements dus aux trajets multiples. Toutefois, ce récepteur présente une complexité de calcul qui augmente avec le nombre accru d’antennes. Pour pallier ce problème, nous proposons, dans un premier temps, des techniques de détection basées sur le concept multi-couches afin de réduire la complexité tout en limitant les dégradations en termes de performances. L’idée de base des schémas proposés est de subdiviser la matrice d’antennes à grande échelle en un ensemble de sous-groupes d’antennes. Ainsi, une comparaison entre les différentes techniques est menée en termes de performance du taux d’erreur binaire et de complexité pour différentes tailles de sous-groupe. Ce travail présente, dans un second temps, une étude analytique des performances du récepteur proposé s’appuyant sur le concept à deux couches dans un canal à évanouissements de Rayleigh en présence d’interférences entre cellules. En effet, nous analysons le rapport signal-à-bruit-plus-interférence (RSBI) pour le récepteur proposé ainsi que les récepteurs conventionnels, en prenant en compte la puissance des interférants. Par ailleurs, nous étudions l’effet des évanouissements à grande échelle sur les puissances d’interférences résiduelles à la sortie de la première couche de traitement. En se basant sur la théorie des matrices aléatoires, nous dérivons des expressions de la distribution du RSBI à la sortie de la première couche du récepteur proposé. En outre, des expressions analytiques du RSBI moyen et de la capacité ergodique sont déterminées.

Abstract : Over the last few years, the demand for wireless data traffic and the number of connected devices have grown exponentially. In order to meet this demand, new technologies are required to improve spectral efficiency. Massive multiple-input multipleoutput (MIMO) is now considered as a key enabler for next generation cellular systems. The idea of massive MIMO is to deploy an extensive number of antennas at the base station (BS) to serve multiple users simultaneously. Massive MIMO provides a remarkable improvement in system throughput, degrees of freedom, and communication reliability compared to the contemporary cellular systems. However, there are several challenges for designing large-scale antenna systems, including BS receiver signal processing complexity and inter-cell interference in a multi-cell environment. The aim of this thesis is to investigate and propose receiver processing schemes for uplink massive MIMO communication systems. In this context, the MMSE receiver is of great interest since it can mitigate co-channel interference (CCI) and multipath fading effects. However, this receiver processing implies a prohibitive computational complexity to bear in a real-time massive MIMO scenario. To overcome this higher complexity, we first propose detection techniques based on the multi-layer concept in order to reduce complexity while limiting degradations in terms of performance. The basic idea of the proposed schemes is to subdivide the large-scale antenna array into a number of subsets of antennas. Therefore, a comparison between the different techniques based on various subset sizes is carried out in terms of BER performance and complexity. In a second step, the thesis presents an analytical study on the performance of the proposed two-layer linear receiver over Rayleigh fading channels in the presence of intercell interference. Taking into account the power received from the interferers, we analyze the output signal-to-noise-and-interference ratio (SINR) for the proposed receiver as well as conventional receivers. Furthermore, we investigate the effects of the shadowing on the residual interference powers at the output of the first processing layer. Based on multivariate statistical theory, we also provide an entirely analytical derivation of the distribution of the output SINR of first-layer processing. Furthermore, analytical expressions on the average uplink SINR and ergodic capacity are derived.