Communications Faster-Than-Nyquist : des liaisons mono-porteuse aux liaisons multi-porteuses

Abstract

Cette thèse est une étude multi-critères de la technique du Faster-Than-Nyquist (FTN). Nous nous plaçons tout d'abord dans le cadre de communications mono-porteuses et sans canal de propagation. Nous supposons deux types de mise en forme du signal FTN : le FTN linéaire classiquement étudié, et le FTN circulaire qui présente l’avantage de simplifier les traitements de filtrage qui peuvent alors se faire dans le domaine fréquentiel. Sous ces hypothèses, nous définissons différents critères d'intérêt : efficacité spectrale, efficacité énergétique au travers du Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), complexité des algorithmes de réception. Nous montrons alors que le potentiel du FTN est supérieur à celui de communications Nyquist notamment par ce qu’il permet d’optimiser le PAPR. Cependant, le FTN n’est pas utilisé actuellement car la complexité calculatoire nécessaire des algorithmes de réception pour les traitements de l'Interférence-Entre-Symboles (IES). En effet, les approches par filtrages de type Minimum Mean-Square-Error (MMSE) offrent des gains substantiels à faible efficacité spectrale, mais on a besoin de passer à des détecteurs de type Maximum A Posteriori (MAP) plus performants en terme de taux d'erreurs dès lors que l'IES est trop puissante. Or, ces approches MAP nécessitent une complexité calculatoire prohibitive pour des constellations riches. Ainsi, nous nous intéressons à des algorithmes de messages passing pour diminuer le coût calculatoire du traitement de l’interférence. Pour cela, nous proposons d’utiliser l’Expectation Propagation (EP) qui vise à filtrer l’IES tout comme les algorithmes MMSE, tout en contraignant la constellation des symboles. Cette contrainte est imposée par un bloc de traitement que l’on appelle « Constellation Marcher » qui se charge donc de réaligner l’estimée MMSE des symboles avec la constellation connue. Ainsi, on fait apparaître un traitement symbole itératif entre un filtre et ce bloc de Constellation Matcher. Afin d’étendre les capacités de l’EP aux signaux FTN, nous proposons différentes familles de distributions dans lesquelles les messages d’EP sont échangées. Nous étudions trois familles qui donnent lieu à un traitement EP temporel pour la famille la plus classique, un traitement EP fréquentiel sous réserve d’utiliser la mise en forme circulaire du FTN, ainsi qu’un traitement Widely Linear (WL) qui sépare le traitement des voies I et Q du signal reçu. Ces différents récepteurs EP pour FTN sont alors utilisés dans le cadre de l’étude multi-critères et nous montrons des gains en SNR allant jusqu’à 8 dB par rapport aux communications Nyquist, tout en limitant la complexité calculatoire. Les différents types de récepteurs EP permettent alors d’avoir un compromis entre complexité calculatoire et taux d’erreurs. Le dernier cadre d’application de cette étude est le contexte multi-porteuses du FTN. Étant donné les bénéfices des approches EP pour l’étude multi-critères, nous adaptons ces algorithmes au cas multi-porteuses et montrons alors des gains importants par rapport à la littérature, mais également vis-à-vis des communications Nyquist.