Design and performance analysis of novel decoding techniques for non-orthogonal multiple access for 5G and beyond-5G wireless networks

Résumé

Le domaine des communications sans fil a connu plusieurs évolutions qui ont considérablement changé notre mode de vie. Ces évolutions ont été motivées non seulement par le besoin de plus larges débits de données, mais également par les exigences de performance toujours plus strictes d’une pléthore de nouvelles applications technologiques. La croissance explosive continue du nombre d’appareils connectés combinée à l’émergence de plusieurs nouvelles applications telles que l’internet des objets (IdO), la télémédecine, la technologie des véhicules, les maisons et appareils intelligents, poussent les ingénieurs et les chercheurs à innover et à concevoir de nouvelles technologies d’accès multiple viables, capables de couvrir les demandes croissantes de connectivité et de débits de données plus élevés. L’accès multiple non orthogonal (NOMA), par opposition aux techniques traditionnelles d’accès multiple orthogonal (OMA), permet à plusieurs utilisateurs de partager le même élément de ressource orthogonal. Ainsi, NOMA est une technologie prometteuse et un excellent candidat pour satisfaire la plupart des besoins des réseaux de cinquième génération (5G), notamment une connectivité massive, une efficacité spectrale plus élevée et des débits d’utilisation plus élevés. Les recherches en NOMA ont conduit à la mise au point de plusieurs architectures divisées en deux catégories principales distinguées par la nature du multiplexage des utilisateurs, qui est soit dans le domaine de puissance (PD-NOMA), soit dans le domaine de code (CD-NOMA). Parmi les architectures multiples de CD-NOMA, l’accès multiple par code clairsemé (SCMA), qui consiste en un mappage d’un ensemble de code pour chacun des utilisateurs du réseau, a attiré une attention considérable pour satisfaire les besoins des prochaines générations, couvrant spécifiquement une connectivité massive et une efficacité spectrale supérieure. Cependant, comme toute autre nouvelle technologie, diverses dégradations de la transmission peuvent compromettre les performances. Cette thèse met en lumière la technologie SCMA et étudie son application dans plusieurs scénarios. Nous analysons les performances de SCMA en présence de plusieurs dégradations qui pourraient gravement détériorer la performance du système de communication et présentons des solutions pour atténuer les dégradations de performance. Aussi, nous étudions PD-NOMA dans des scénarios impliquant des dégradations et proposons des solutions pour atténuer la détérioration des performances. Dans ce contexte, le troisième chapitre présente le modèle de simulation pour SCMA avec une analyse détaillée sur le taux d’erreurs binaire (BER), en présence des non-linéarités de l’amplicateur de puissance (PA). Les effets néfastes des non-linéarités sont montrés. Les techniques de traitement du signal se sont avérées être des solutions convaincantes pour atténuer la non-linéarité en général, en particulier les techniques basées sur les espaces de Hilbert à noyau reproduisant (RKHS) qui jouissent d’une légère complexité et guarantissent la représentation exacte de la fonction non linéaire. Ainsi, nous proposons une solution utilisant les caractéristiques de Fourier aléatoires (RFF) pour atténuer les effets de la non-linéarité, ce qui permet d’améliorer le BER par rapport à l’algorithme de passage de message classique (MPA) fonctionnant dans des conditions linéaires. Dans le quatrième chapitre, nous abordons le défi de mitigation du bruit impulsif qui sera commun dans les écosystèmes du 5G, en particulier l’IdO. La présence d’interférence électromagnétique, désignée par le bruit impulsif, dégrade les performances des applications IdO. De plus, étant donné la superposition de mots de code dans SCMA, l’effet serait plus prononcé. Par conséquent, nous étudions l’implémentation de la SCMA en présence de bruit impulsif. Nous étudions l’impact du bruit impulsif sur le BER et proposons une solution basée sur la correntropie maximale. Notre modèle transfère des gradients de potentiel d’information (IP) au lieu du logarithme du rapport de vraisemblance (LLR) normalement utilisé dans le MPA conventionnel. Les gains de performance obtenus montrent la viabilité de la solution même dans des scénarios très impulsifs. Dans le cinquième chapitre, nous proposons une autre méthode pour atténuer l’effet de nonlinéarité. Notre nouvelle méthode est basée sur la décomposition de Bussgang et présente une complexité moindre, ce qui la rend intéressante pour une implémentation dans les réseaux internet des objets industriels (IIoT). Nous calculons le coefficient de Bussgang et mettons à jour les nouveaux gains de canal avec le coefficient obtenu. De plus, une analyse montrant la convergence de la méthode proposée avec une comparaison avec la solution basée sur les RFF est fournie. Les résultats obtenus confirment que la technique d’accès multiple SCMA est une solution viable pour divers scénarios, même en présence de conditions non idéales. Dans le sixième chapitre, nous considérons le PD-NOMA en présence des non-linéairités du PA. Nous montrons l’effet néfaste des non-linéarités des PA sur le BER des utilisateurs superposés dans PD-NOMA, en particulier pour l’utilisateur qui effectue l’annulation successive d’interférence (SIC). En utilisant le RKHS, nous proposons un algorithme de décodage basé sur les RFF pour atténuer ces imperfections matérielles et atteindre un BER qui se rapproche de celui du scénario linéaire.

Date	6 mars 2023
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Georges Kaddoum (Directeur(-trice))