Advanced index modulation techniques for future wireless networks

Résumé

Dans l’étude de recherche proposée dans cette thèse de doctorat, nous considérons la modulation d’index comme un nouvel outil pour améliorer l’efficacité énergétique et spectrale pour les réseaux 5G à venir, y compris des réseaux de capteurs sans fil et l’Internet des objets. Dans ce sens, la modulation spatiale a été proposée par Mesleh et coll. (2008) pour améliorer la capacité des systèmes sans fil a partiellement atteindre la capacité des Systèmes MIMO mais à moindre coût, ce qui est, en fait, une technique qui a attiré beaucoup d’attention au cours des dernières années. En tant que tels, les systèmes SM ont été considérés comme des candidats possibles pour des systèmes de MIMO de prochaine génération à spectre efficace et à économie d’énergie, c’est-à-dire à faible consommation. Cependant, la mise en oeuvre de la SM est également difficile en raison de sa forte dépendance aux caractéristiques du canal, à la correlation entre des canaux, aux CSI corrompus et à la nécessité d’avoir l’espacement approprié entre les antennes. De plus, le SM nécessite plusieurs antennes à l’émetteur, ce qui ajoute un coût supplémentaire à l’implémentation matérielle. En outre, le nombre de bits mappés dans SM est limité par la taille physique du dispositif connecté au réseau sans fil où seul un petit nombre d’antennes peut être utilisé. Le temps de commutation gaspillé par RF des commutateurs d’antenne ajoute à la complexité du problème. Dans cette thèse, nous étudions les inconvénients du SM dans les articles indiqués ci-dessous, à savoir « Performance comparison of spatial modulation detectors under channel impairments » placé à l’annexe à la fin de la thèse puisqu’il s’agit d’un document de conférence, et « Impact of antenna switching time on spatial modulation » qui est mis dans le chapitre 1. Dans le premier article, nous avons montré que les dégradations de canaux ont des impacts sérieux sur le BER performances et sur la capacité du système SM et que le SM est trop sensible aux canaux imparfaits et corrélés. Dans le deuxième article, nous avons démontré que le temps de commutation défini comme le temps nécessaire par le système pour éteindre une antenne et activer une autre, qui est une propriété inhérente des commutateurs industriels RF utilisés dans les systèmes SM, est de l’ordre de nanosecondes et naturellement influence le taux de transmission des systèmes SM en raison de l’introduction de lacunes systématiques à la transmission ou des pauses. Compte tenu de la limitation de vitesse des commutateurs RF pratiques lors des transitions, les technologies basées sur de transition d’antenne comme les systèmes SM sont plafonnées en termes de performances de débit de données. En effet, le débit effectif de SM restera l’otage des développements industriels dans le domaine de commutateurs RF. Cela apporte des restrictions aux problèmes de mise en oeuvre et de fonctionnement lorsque les debits de données élevés deviennent une nécessité. Il est démontré par l’assemblage de nos résultats que le temps de commutation Tsw, qui est une condition pour que les transitions entre les antennes se produisent, dicte restrictions sur le débit de données, la capacité et l’efficacité spectrale des systèmes SM. En outre, nous proposons des schémas de modulation d’indexation non basés sur matériels comme modulation d’indice de fréquence, modulation chaotique cohérente et modulation chaotique différentielle non cohérente comme des alternatives potentielles à SM, qui seraient également adaptés aux réseaux de capteurs sans fil et aux applications de l’Internet des choses. À cet égard, nous avons propose trois articles. Le premier article qui représente la modulation d’indice de fréquence est appelé « Frequency index modulation for low complexity low energy communication networks » est placé dans le chapitre 2 de cette thèse. Dans cet article, nous explorons un système de communication multi-utilisateur de faible complexité base sur la modulation d’indice de fréquence qui convient aux applications de l’Internet des choses et nous montrons qu’un tel système constituerait un excellent candidat pour les applications de capteurs sans fil, où il représente une substitution plus simple pour les architectures basées sur le saut de fréquence, dans lesquelles les houblons portent des morceaux supplémentaires. Le troisième article qui concerne la modulation chaotique cohérente est appelé « Design of an initial condition index chaos shift keying modulation » et se trouve au chapitre 3. Dans cet article, une modulation chaotique cohérente basée sur l’indice de condition initiale est proposée. Cette conception vise à augmenter l’efficacité spectrale et énergétique aux niveaux sans précédent. Le schéma proposé exploite les conditions initiales pour générer différentes séquences chaotiques pour transmettre des extra bits par transmission. Par rapport aux schemas de modulation rivaux, les résultats obtenus dans le travail proposé montrent un taux de transfert de données prometteur et une performance compétitive. Le dernier article utilise un système de décalage-clé chaotique différentiel non cohérent nommé « Permutation index DCSK modulation technique for secure multi-user high-data-rate communication systems » qui se trouve dans l’annexe II. Dans cette conception originale, où chaque trame de données est divisée en deux tranches de temps dans lesquelles le signal chaotique de référence est envoyé dans le premier intervalle de temps et une réplique permutée de la référence signal multiplié par le bit de modulation est envoyé dans le deuxième créneau temporel, nous ciblons l’amélioration de sécurité de données, et l’efficacité énergétique et spectrale. Dans l’ensemble, compte tenu des exigences élevées en matière de bande passante et d’efficacité énergétique des systèmes futuristes, les mécanismes d’indexation douce suggérés par notre étude sont des candidats réussis avec des résultats prometteurs.

Date	6 juil. 2018
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Georges Kaddoum (Directeur(-trice))