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Faster-Than-Nyquist (FTN) pour les communications par satellite : du mono-porteuse aux multi-porteuses. Récepteurs à complexité réduite efficaces pour le régime saturé et résistance aux ACI

Description

Contexte de la thèse 

Les télécommunications par satellite s’orientent vers des applications nécessitant des débits en perpétuelle augmentation. La VoIP, la diffusion de télévision en UHD ou encore l’internet très haut débit demandent le transit de beaucoup d’information au travers d’une ressource, les bandes de fréquence,dont l’expansion n’est pas indéfiniment possible. La dernière évolution du standard Digital Video Brodcasting (DVB-S2X dit « DVB-S2 révolution ») a offert au domaine des satcoms une augmentation de l’efficacité spectrale de près de 15% [1]. Pour cela, deux évolutions majeures: D’une part, des roll-offs plus faibles optimisant l’exploitation de la bande allouée à l’utilisateur (5%, 10%). D’autre part, des modulations à fort nombre d’états permettant de communiquer davantage de bits avec un même symbole (64APSK, 128APSK, 256APSK). Ces modulations à haute efficacité spectrale sont moins robustes au bruit Gaussien présent dans les chaines de télécommunications, ainsi leur emploi n’est possible qu’à fort rapport signal à bruit. Or les systèmes satcom à très haut débit évoluent vers des solutions où les canaux amplifiés à bord du satellite sont de plus en plus larges, traitant généralement des porteuses multiples. Dans ce contexte, les distorsions non linéaires introduites dans le canal satellite peuvent devenir problématiques. . Les innovations proposées dans la norme DVB-S2x ne sont donc exploitables que dans des scénarios favorables bien précis et ne couvrent pas l’ensemble des communications auxquelles font face les opérateurs.

Dans le cadre de la thèse de nouvelles formes d’ondes seront investiguées, permettant une amélioration de l’efficacité spectrale du canal satellite à fortes contraintes. Parmi les candidats, on s’intéressera aux extensions des modulations classiques mono-porteuses (SC) et de leur version bloc circulaire, le SC-OFDM, aux techniques de packing telles que Time Frequency Packing (TFP) et FTN. Pour chacun des cas, on évaluera leurs performances et  leur possible extension au cas multi-porteuses.

Travaux antérieurs

L’innovation FTN et sa généralisation TFP  permettent l’augmentation du débit dans une bande inchangée en accélérant le rythme d’émission des symboles (ou en faisant se chevaucher des porteuses) sans modification du filtrage en émission, induisant une rupture du critère de Nyquist et donc l’introduction de fortes interférences inter-symboles [2]. Sans traitement à la réception, ce signal n’est pas exploitable et nécessite donc la mise en place d’une égalisation, linéaire ou non-linéaire selon le régime de l’amplificateur considéré. Dans une thèse commencée à l’automne 2013 et terminée en décembre 2017 en collaboration avec l’IRT Saint Exupéry, nous avons pu démontrer l’intérêt de la forme d’onde FTN dans un canal satellitaire en scénario mono-porteuse. Des propriétés physiques avantageuses en contexte non-linéaire de la forme d’onde ont pu être démontrées [3]. De la pré-distorsion en émission à l’égalisation en réception, de nombreux algorithmes ont déjà été étudiés et permettent de savoir quels outils employer ou ne pas employer pour valoriser le FTN. Forts de ces premiers résultats, son étude a été étendue à l’égalisation basée sur un modèle de Volterra ou la pré-distorsion de type SVA. L’aspect de synchronisation en contexte de forte ISI a également fait l’objet de travaux. Dans une autre thèse soutenue en juillet 2018, nous avons également évalué le gain pour le cas mono-porteuse pour des communications aéronautiques et un lien de retour de type DVB-RCS2. Parmi les solutions envisagées, nous avons largement étudié le cas SC-OFDM étendu au cas FTN. De même, les outils d’optimisation conjointe code-modulation FTN sont maitrisés et permettent le cas échéants de réaliser un design conjoint [7].

L’ensemble des éléments sont donc relativement bien maîtrisés dans le cadre d’un schéma mono-porteuse. Cependant, dans le cas de transpondeur multi-porteuses, peu d’études sont disponibles pour caractériser et optimiser les schémas FTN ou son extension au cas TFP. En particulier, la résistance aux interférences entre porteuses peut être un facteur important de discrimination entre deux solutions performantes, de même que la complexité du récepteur (synchronisation, détection) dans un cadre où l’on considère à la fois les interférences générées par le FTN et les interférences entre porteuses.  C’est en substance, l’objectif de la thèse proposée. 

Objectifs de la thèse

Dans les travaux évoqués précédemment, les nombreux gains mis en exergue ne sont viables qu’en supposant des algorithmes de détection optimaux de type MAP ou quasi-optimaux, indépendamment de leur coût réel d’implémentation matérielle.  Le principal problème est que l’on a une perte asymptotique qui peut être assez importante à forte efficacité spectrale pour des solutions de type (turbo) MMSE. Il faut donc étudier plus en avant le compromis performance-complexité Ainsi, différentes méthodes de réduction de complexité des algorithmes employés pourront être étudiées. Les égaliseurs employés dans les travaux antérieurs ne sont pas les seuls existants et d’autres détecteurs pourront être pris en considération (algorithmes sur les graphes de type BP étendu ou graph based LMMSE ou encore récepteurs auto-itérés par expectation propagation, etc…) afin de trouver le récepteur offrant le meilleur compromis performance/faisabilité. Le but est d’atteindre des performances comparables aux approches sous optimales optimisées basées sur des algorithmes de type M*/M-BCJR ( avec méthodes de "channel shortening" ou non) et dont les performances varient énormément en fonction des conditions de compression, surtout dans le cas non linéaire. Les approches sur les graphes permettent quant à elles de considérer des approches conjointes de détection et décodage en considérant une seule et même structure pour le détecteur et le décodeur canal. De plus, c’est à notre sens les seules approches qui permettent de passer à l’échelle pour la complexité pour le cas multi-porteuses.

Une fois ces aspects complexité levés, on s’intéressera au cas du FTN dans un cadre « multi-porteuses » [8-10]. En effet, il est nécessaire de prendre en compte les interférences des porteuses adjacentes lorsque l’on se trouve sur la voie aller d’un système d’accès large bandepar satellite. L’ensemble des points d’étude abordés dans le cadre mono-porteuse pourra alors être traité dans ce cadre généralisé : synchronisation, détection conjointe ou disjointe dans le régime de saturation, design et optimisation pour le FTN pour la gestion des ACI, des interférences propres et du précodage éventuellement conjoint ou non. De plus, on pourra regarder des extensions actuellement regardées par l'ESA comme la capacité à être utilisé dans un cadre MIMO et la compatibilité avec les approches de type "carrier-aggregation".

L’objectif de cette thèse réside donc dans la proposition de traitements moins complexes à la réception tout en prenant en compte les aspects multi-porteuses dans le cadre de transmission FTN/TFP.

Nouveaux verrous et Travaux en perspectives

Les principaux verrous à lever sont les suivants :

A/ La réduction de complexité des algorithmes de détection basés sur un treillis type BCJR [4][5][6] est nécessaire afin de rendre la méthode de transmission compatible avec les technologies actuelles,  sans latence pénalisant les télécommunications en temps réel. Dans cette optique, les algorithmes de réduction du nombre d’états dans le treillis type M-BCJR ou M*-BCJR seront implémentés conjointement avec du channel shortening étendu au cas non linéaire et testés de sorte à s’assurer qu’ils n’induisent pas une diminution trop importante des gains évalués précédemment. 

B/ D’autres récepteurs basés sur les graphes (BP étendu, graph- based LMMSE pour les modèles de Volterra ou encore approche par approximate message passing (AMP) ou Expectation-propagation avec récepteurs auto-itérés) devront être envisagés afin d’être soumis à comparaison avec les détecteurs évoqués précédemment. Des structures éventuellement hybrides seront proposées.

C/Aspects émetteurs dans le cadre multi-porteuses : optimisation des paramètres FTN/TFP pour le cas d’un design conjoint ou distribué. Impact de la prédistorsion conjointe ou distribuée.

D/Aspects récepteurs : problèmes de synchronisation et démodulation conjointe/séparée dans le cadre multi-porteuses. Gestion de l’ACI. Passage à l'échelle des algorithmes précédemment étudiés pour les traitements conjoints des interférences entre porteuse.

Les phases de recherche envisagées sont donc les suivantes :

1/ Etude exhaustive et comparative des détecteurs à complexité réduite, BCJR et graphes.

2/  Etude des ACI et proposition de traitements afin d’en réduire la dégradation associée.

Bibliographie

[1] http://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302300_302399/30230702/01.01.01_20/e...

[2] Faster-than-nyquist signaling, J.E. Mazo.

[3] Trade-off between spectral efficiency increase and PAPR reduction when using FTN signaling: Impact of non linearities, Poulliat, Boucheret, Thomas.

[4] Optimal Decoding of Linear Codes for minimizing symbol error rate, L.Bahl, J.Cocke, F.Jelinek, and J.Raviv,

[5]Turbo equalization and an M-BCJR algorithm for strongly narrowband intersymbol interference, Anderson, Prlja.

[6] Advanced Techniques for Spectrally Efficient DVB-S2X Systems, A. Ugolini, A. Modenini, G. Colavolpe, G. Picchi, V. Mignonet , A. Morellot

[7] On coding for Faster-Than-Nyquist signaling, R. Tajan,  B. Benammar,  C. Poulliat,  M.-L. Boucheret

[8] Faster-than-Nyquist signaling for next generation communication architectures, Modenini, Rusek, Colavolpe

[9] Time-frequency packing for linear modulations: spectral efficiency and practical detection schemes, Barbieri, Fertonati, Colavolpe

[10] Design and Implementation of Iterative Decoder for Faster-than-Nyquist Signaling Multicarrier Systems, Rusek, Dasalukunte, Anderson, Owali

Profil

Le candidat devra avoir un Master 2 ou diplôme d'ingénieur dans le domaine des télécommunications, traitement du signal pour les communications numériques. 

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : TéSA
Directeur(rice) de thèse/recherche : Poulliat Charly
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : charly.poulliat@enseeiht.fr
Responsable Cnes de l'offre : LESTHIEVENT Guy

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  avant le 1er avril 2019

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