Thèse. Retournement Temporel: application aux réseaux mobiles

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Thèse THESE INSA Rennes sous le sceau de l Université européenne de Bretagne pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L INSA DE RENNES Spécialité : Electronique et Télécommunications Retournement Temporel:

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Thèse THESE INSA Rennes sous le sceau de l Université européenne de Bretagne pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L INSA DE RENNES Spécialité : Electronique et Télécommunications Retournement Temporel: application aux réseaux mobiles présentée par Dinh Thuy PHAN HUY ECOLE DOCTORALE : MATISSE LABORATOIRE : IETR Thèse soutenue le devant le jury composé de : Marion Berbineau Directrice de Recherche, IFSTTAR, Lille / Présidente du jury Julien De Rosny Directeur de Recherche CNRS, Institut Langevin, Paris / Rapporteur Martine Liénard Professeur, Université de Lille 1 / Rapporteur Geneviève Baudoin Professeur, ESIEE, Paris / Examinatrice Matthieu Crussière Maître de Conférences, INSA de Rennes / Examinateur Joe Wiart Directeur de la chaire C2M, Institut Mines Telecom, Paris / Examinateur Maryline Hélard Professeur, INSA de Rennes / Directrice de thèse Retournement Temporel : application aux réseaux mobiles Dinh Thuy PHAN HUY En partenariat avec Document protégé par les droits d auteur Table of Contents 1/213 Table of Contents Table of Contents... 1 Acknowledgements... 6 Abstract... 7 Résumé étendu en Français des travaux de la thèse... 9 I. Introduction... 9 II. Etat de l art sur le retournement temporel dans les réseaux sans fil... 9 III. Evaluation de la performance du retournement temporel dans les Réseaux mobiles à l intérieur des bâtiments A. Cartes montrant le ratio entre le débit atteint par un récepteur idiot et le débit atteint par un récepteur parfait en fonction de la position B. Caractérisation de la confidentialité d une communication verte par retournement temporelle: mesure expérimentale du puits de taux d erreur binaire IV. Conception de leviers pour la focalisation par retournement temporel dans des scénarios difficiles typiques des réseaux mobiles A. Retournement temporel pour le mode de duplexage en fréquence B. Retournement temporel en mobilité V. Conception de nouveaux systèmes de communication et de nouvelles applications basées sur le retournement temporel A. Modulation spatiale pour communications par retournement temporel B. Précodeurs Make-It-Real pour MIMO OFDM/OQAM C. Navigation et guidage par retournement temporel D. DFT-SM-MRT pour large MIMO et ondes millimétriques VI. Conclusion List of contributions List of figures List of tables General mathematical notations... 41 Table of Contents 2/213 Mathematical notations for single-carrier studies Chapter 1 - Introduction Chapter 2 - State-of-the-art on time reversal for wireless communications Matched filter and maximum ratio transmission beamformer The transmit matched filter : a time compression technique Maximum ratio transmission (MRT) beamforming: a spatial focusing technique Conclusion Time reversal space-time focusing Time reversal and space-time focusing Time reversal versus other space-time filters Conclusion Time reversal for wireless communications in multiple scattering medium Time reversal in MIMO wireless communications Taking advantage of multiple scattering to perform wireless communication using Time reversal Conclusion Recent time reversal techniques for wireless communications Low complexity single carrier receivers Low complexity single carrier transceivers Low transmit power Low complexity multi-carrier transceivers and receivers Conclusion on the state-of-the art and introduction to our contributions Chapter 3 - Performance evaluation of time reversal in indoor mobile networks Dumb-to-perfect receiver throughput ratio maps of femto/small cell using TR Introduction System description Post receiver SINR computation Simulation assumptions Results Conclusion and next steps Characterization of the Confidentiality of a Green Time reversal Communication System: Experimental Measurement of the Spy BER Sink... 84 Table of Contents 3/ Introduction The spy bit error rate metric Experimental method Measurements results Conclusion Chapter 4 - Design of enablers for time reversal focusing in challenging scenarios which are typical from mobile networks Frequency division duplex time reversal (FDD TR) Introduction System description Post receiver SINR computation Feedback analysis Simulation results Conclusion Time reversal in mobility Introduction Common system model Systems specific models Initial comparison of the studied schemes Performance comparison Conclusion Chapter 5 - Design of new communication schemes and applications based on time reversal for mobile networks Receive Antenna Shift Keying for time reversal wireless communications Introduction Introduction to receive antenna shift keying Generic system model and expression of the output of the single tap receiver PAM and RASK Modulation Schemes Simulation Results Conclusion Annex Make-It-Real precoders for MIMO OFDM/OQAM without inter carrier interference 146 Table of Contents 4/ Introduction System model Precoders Performance evaluation methodology Results Conclusion Time reversal for ant trails in wireless networks Introduction System model Performance evaluation methodology Simulation results Conclusion Details Discrete Fourier transform based spatial multiplexing and MRT for millimetre wave large MIMO Introduction Common system model Studied systems Performance evaluation methodology Results Conclusion Chapter 6 - Conclusion and future works Conclusions Future works Annex Details on OFDM/OQAM with time reversal Details on separate receive and training antenna system Introduction Generic system model Classical MISO or Reference System (RS) Separate receive and training antennas (SRTA) Performance evaluation Table of Contents 5/ Conclusion References Acknowledgements 6/213 Acknowledgements I thank my dear family, Mathieu, Lila, Iris and my parents for their daily support. I thank my Thesis Director, Prof. Maryline Hélard for all these years of support and advice. I thank the reporters of the Thesis, Prof. Martine Liénard and Mr. Julien De Rosny, for their precious comments on the manuscript: they have been taken into account in this improved and last version. I thank Mrs Marion Berbineau for the presidence of the jury and all other members of the jury, Prof. Geneviève Baudoin, Mr. Matthieu Crussiere and Mr. J. Wiart, for their sharp questions and comments during the PhD defence: I will keep these in mind in my future work. I very warmly thank my co-authors and colleagues, inside and outside Orange, for their precious help: Ahmed Saadani, Antti Tölli, Azeddine Gati, Berna Sayrac, Bernadette Villeforceix, Bernard Le Floch, Bruno Jahan, Christian Gallard, Cécile Germond, Christian Leray, Daniel Mustaki, Dorra Ben Cheikh, Elisabeth De Carvalho, Fadi Abi Abdallah, Fatima Karim, Hacene Azzouz, Isabelle Siaud, Jean-Christophe Prévotet, Jean-Marc Kelif, Joe Wiart, Julien De Rosny, Jean-Marie Chaufray, Jean-Philippe Desbat, Laurence Delaunay, Laurent Labéguerie, Matthieu Crussière, Mikael Sternad, Nandana Rajatheva, Nadine Malhouroux-Gaffet, Olivier Simon, Philippe Du Reau, Pascale Jeune, Patrice Pajusco, Pierre Siohan, Patrick Tortelier, Roxana Burghelea, Rodolphe Legouable, Raphaël Visoz, Sana Ben Jemaa, Slim Ben Halima, Thierry Dubois, Thierry Sarrebourse, Tommy Svensson, Wofgang Zirwas, Youmni Ziade, Zwi Altman, Yvan Kokar I thank the entire Wireless Technology Evolution department, in Orange. This work has been done partially in the framework of Agence Nationale de la Recherche (ANR) VERSO 2010 TRIMARAN project, with Pôle Images et Réseaux and Pôle SYSTEMATIC and partially in the framework of the FP7 project ICT METIS, which is partly funded by the European Union. Abstract 7/213 Abstract This thesis studies the time reversal technique to improve the energy efficiency of future mobile networks and reduce the cost of future mobile devices. Time reversal technique consists in using the time inverse of the propagation channel impulse response (between a transceiver and a receiver) as a pre-filter. Such pre-filtered signal is received with a stronger power (this is spatial focusing) and with a strong main echo, relatively to secondary echoes (this is time compression). During a previous learning phase, the transceiver estimates the channel by measuring the pilot signal emitted by the receiver. Space-time focusing is obtained only at the condition that the propagation remains identical between the learning phase and the data transmission phase: this is the channel reciprocity condition. Numerous works show that spatial focusing allows for the reduction of the required transmit power for a given target received power, on the one hand, and that time compression allow for the reduction of the required complexity at the receiver side to handle multiple echoes, on the other hand. However, studies on complexity reduction are limited to ultra wideband. Some works of this thesis (based on simulations and experimental measurements) show that, for bands which are more typical for future networks (a carrier frequency of 1GHz and a spectrum of 30 MHz to 100 MHz), thanks to time reversal, a simple receiver and a mono-carrier signal are sufficient to reach high data rates. Moreover, the channel reciprocity condition is not verified in two scenarios which are typical from mobile networks. Firstly, in most European mobile networks, the frequency division duplex mode is used. This mode implies that the transceiver and the receiver communicate on distinct carriers, and therefore through different propagation channels. Secondly, when considering a receiver on a moving connected vehicle, the transceiver and the receiver communicate one with each other at distinct instants, corresponding to distinct positions of the vehicles, and therefore through different propagation Abstract 8/213 channels. Some works of this thesis propose solutions to obtain space-time focusing for these two scenarios. Finally, some works of this thesis explore the combination of time reversal with other recent signal processing techniques (spatial modulation, on the one hand, a new multi-carrier waveform, on the other hand), or new deployment scenarios (millimeter waves and large antenna arrays to inter-connect the nodes of an ultra dense network) or new applications (guidance and navigation) which can be envisaged for future mobile networks. Résumé étendu en Français des travaux de la thèse I. Introduction 9/213 Résumé étendu en Français des travaux de la thèse I. Introduction Les réseaux mobiles se sont développés de manière spectaculaire durant les dernières décennies. La 5ème génération (5G) des réseaux mobiles sera déployée dans les années Ces futurs réseaux devront supporter mille fois plus de trafic que ne le font les réseaux actuels, et plus de cinquante milliards d objets connectés. Parallèlement, la consommation d énergie des Réseaux mobiles ainsi que le coût des équipements de réseau et les coûts des terminaux mobiles deviennent des sujets de plus en plus préoccupants. Il est donc important de commencer à investiguer des techniques de traitement de signal qui ont la particularité d être quasi optimales quand elles sont implémentées dans des réseaux basse puissance et des terminaux à bas coût. La technique de focalisation spatio-temporelle des ondes dite de Retournement Temporel est une solution candidate. Le but de cette thèse est d investiguer cette solution. II. Etat de l art sur le retournement temporel dans les réseaux sans fil De nombreux travaux ont été menés sur la technique de retournement temporel dans le cadre des réseaux de communication sans fil. Un émetteur émet le signal radio de manière focalisée vers un récepteur cible grâce à une méthode très simple. Il utilise une ou plusieurs antenne(s). Le récepteur émet d abord un signal d apprentissage (par exemple une séquence pilote connue de l émetteur et normalisée). L émetteur réceptionne le signal d apprentissage et estime la réponse impulsionnelle du canal de propagation entre le récepteur et lui-même. Il effectue cette tâche pour chacune de ses antennes. Dans un second temps, l émetteur calcule un filtre de retournement temporel (pour chacune de ses antennes): la réponse impulsionnelle du canal estimée, renversée temporellement. Enfin, l émetteur transmet son signal de données, filtré par le filtre de retournement temporel (pour chacune de ses antennes). Sous certaines conditions dites de réciprocité du canal, l onde obtenue converge sur la cible (le point focal) avec une très forte puissance : c est le phénomène de «focalisation spatiale». Résumé étendu en Français des travaux de la thèse II. Etat de l art sur le retournement temporel dans les réseaux sans fil 10/213 Un canal de propagation est réciproque si la réponse impulsionnelle de la propagation du point A au point B est identique à celle de la propagation du point B au point A. C est le cas quand l environnement est statique et quand A et B utilisent la même bande de fréquence. Dans les réseaux sans fil, cela implique d utiliser le mode de duplexage en temps ou time division duplex (TDD) mode. En revanche, lorsque le milieu varie, ou lorsque le mode de duplexage en fréquence ou frequency division duplex (FDD) mode, est utilisé, le canal n est pas réciproque et le retournement temporel ne s applique pas. Dans un milieu de propagation diffusif, le canal de propagation est «multi-écho» et «multi-trajet». C est le cas, par exemple dans milieu urbain dense ou à l intérieur de bâtiments. Un signal focalisé, en revanche est presque dénué d échos : c est le phénomène de «compression temporelle». En remontant aux années 1950, on montre que deux techniques plus anciennes précèdent le retournement temporel : le filtre adapté et la technique de formation de faisceau dite maximum ratio transmission (MRT beamforming). Ce filtre a été utilisé pour ses propriétés de compression temporelle pour réduire les échos. La technique de formation de faisceau MRT a été introduite pour faire de la focalisation spatiale, avec une propagation en vue directe (sans multi-trajet). Les deux manières les plus courantes d implémenter le retournement temporel dans une communication sans fil utilisent le filtre adapté et le MRT beamforming: - pour une forme d onde mono-porteuse : on applique un filtre adapté distinct pour chaque antenne de transmission de l émetteur ; pour que le résultat corresponde au retournement temporel il faut que les puissances des filtres des diverses antennes conservent les mêmes rapports que les puissances des réponses impulsionnelles des diverses antennes ; - pour une forme d onde multi-porteuse : on applique un maximum ratio transmission beamformer au réseau d antennes de l émetteur, distinct pour chaque sous-porteuse ; pour que le résultat corresponde au retournement temporel il faut que les puissances des beamformers des diverses sous-porteuses conservent les mêmes rapports que les puissances des canaux des diverses sous-porteuses. L ensemble des beamformers pris sur toutes les sous-porteuses, est souvent appelé précodeur. La plupart des travaux précédents sur les communications sans fil par retournement temporel étudient l ultra large bande. En ultra large bande, à cause de la taille de la bande, le nombre d échos est très élevé. Les récepteurs sont donc complexes. Ces travaux montrent que grâce au retournement temporel, la complexité des récepteurs peut être réduite. A faible rapport signal sur bruit, comme illustré dans la Fig. 1, grâce à la «compression temporelle», les interférences entre symboles consécutifs sont noyées dans le bruit. La quantité de traitement de signal dans le terminal peut alors être réduite. Ces travaux Résumé étendu en Français des travaux de la thèse II. Etat de l art sur le retournement temporel dans les réseaux sans fil 11/213 montrent aussi que le niveau d émission d onde du réseau peut être réduit. En concentrant l énergie sur le récepteur, l émetteur peut réduire son émission pour délivrer la puissance juste nécessaire pour atteindre le débit souhaité. De plus, à faible rapport signal sur bruit, les lobes secondaires sont noyés dans le bruit (comme illustré dans la Fig. 2). On peut alors envisager de focaliser sur une seconde antenne, un second flux tout en limitant l interférence entre flux. Dans ce cas une communication dite MIMO (multiple-input multiple-output) est établie. Les travaux précédents montrent que le retournement temporel est optimal à faible rapport signal sur bruit, même quand le récepteur est simple. Le récepteur le plus simple est le récepteur à un écho ou récepteur idiot ( dumb receiver en anglais). Ce récepteur détecte l écho de plus grande énergie. Les autres échos génèrent une interférence qui n est pas supprimée. Le récepteur idiot ne peut donc être optimal que dans un milieu sans écho. low SNR medium SNR large SNR legend Symbol N 1 Symbol N 2 Symbol N 3 Symbol N 4 Symbol N 5 time Fig. 1 Signal focalisé en fonction du rapport signal sur bruit (SNR) time Fig. 2 Focalisation spatiale pour un rapport signal sur bruit faible Les études précédentes n adressent pas spécifiquement le scénario des réseaux mobiles. Les bandes mobiles sont plus petites (1 à 100MHz) pour une fréquence porteuse autour du GHz. De plus, le retournement temporel ne s applique aux systèmes de duplexage en fréquence (fréquent en Europe) ni aux hautes mobilités. Ces limitations rendent l usage de cette technique pour les réseaux mobiles difficile. Résumé étendu en Français des travaux de la thèse III. Evaluation de la performance du retournement temporel dans les Réseaux mobiles à l intérieur des bâtiments 12/213 Cette thèse apporte trois contributions décrites dans les sous-sections suivantes. - nous apportons de nouveaux résultats permettant d évaluer l intérêt du retournement temporel dans les réseaux mobiles à l intérieur des bâtiments (femtos/small cells) ; - la seconde contribution propose des leviers pour permettre à la focalisation par retournement temporel de fonctionner dans les réseaux mobiles même dans les scénarios difficiles: le mode duplex en fréquence et les fortes mobilités ; - la dernière contribution propose de nouveaux systèmes de communication et de nouvelles applications reposant toutes sur le retournement temporel. III. Evaluation de la performance du retournement temporel dans les Réseaux mobiles à l intérieur des bâtiments Cette contribution comporte deux études de communication à l intérieur des bâtiments utilisant une fréquence porteuse (1 GHz) et un spectre (30 MHz à 100 MHz) typiques pour des réseaux mobiles 4G ou 5G. La première étude est basée sur des simulations. La seconde étude utilise des résultats expérimentaux. A. Cartes montrant le ratio entre le débit atteint par un récepteur idiot et le débit atteint par un récepteur parfait en fonction de la position Le retournement temporel est optimal avec le dumb receiver à faible rapport signal sur bruit. Il est donc un candidat intéressant pour des réseaux verts opérant à faible rapport signal sur bruit et à faible puissance. Cependant, la probabilité que les conditions d optimalité soient réunies, de manière pratique, à l intérieur d un bâtiment typique, est inconnue. Pour la première fois, nous proposons d établir une carte montrant le ratio entre le débit atteint par un récepteur idiot et le débit atteint par un récepteur parfait en fonction de la position du récepteur dans un bâtiment typique. Contrairement aux travaux précédents, nous utilisons des simulations systèmes, permettant de collecter des résultats statistiques (sur une zone de bâtiment entière), et nous utilisons l expression exacte (non simplifiée) du rapport signal sur bruit et interférence (SINR) mesuré après le récepteur. Cette démarche nous permet de mesurer de manière précise la distance ente la performance du récepteur idiot et du récepteur parfait. Le récepteur parfait est un récepteur qui annule parfaitement les interférences inter-symboles. Les formules de rapport signal sur bruit et interférence incluent l exacte expression des termes d interférence inter-symbole et d interférence entre flux. Un modèle de canal de propagation sophist
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