Codage de l'information et annulation des interférences pour des communications haut débit

Wireless communications have known an amazing expansion since the nineties. Transmission techniques, supported by technological breakthroughs, have significantly improved to cope with the increase of both data rate and traffic. For instance, the turbo principle has enabled to design quasi-optimal, robust and low-complexity receivers, whereas multiple input multiple (MIMO) systems imposed themselves as one solution to spectral efficiency enhancement given a fixed transmission power. Today, the main limitation to the increase of traffic and user number remains the interference. The traffic is expected to be a thousand times higher than today, mainly due to the connected machine number explosion (machine to machine communications). Without anticipation of interference management mechanisms, promised won't be held. My research integrates this context and divides into three main axes: space-time coding, interference management and cooperation in sensors networks. Usual designs of space-time codes do not take into account the forward error correction (FEC) code and assumes optimum detection. In practice, a FEC is inserted in the transmission system and depending on the space-time, the maximum likelihood detection is too complex. We have developed generic methods to build maximum-diversity space-time codes whose definition takes into account the inner FEC. We also designed full-rate and maximum diversity linear dispersion codes optimized by taking into account outer FEC and turboequalizer constraints. Given a selective frequency channel, inter symbol interference can be dealt with at the transmitter adopting OFDM or at the receiver by using a suitable detection. MIMO systems suffer from an additional inter antenna interference. Compared to single carrier used with time-domain equalization, OFDM has the advantage of a lower-complexity at the price of lower diversity. Frequency-domain equalization makes single carrier competitive compared to the equivalent OFDM scheme. We studied the space-time codes extension to frequency selective channels by imposing single-carrier waveform and frequency-domain equalization. The complexity of optimum detection of the concatenation of the space-time codes with an outer FEC makes it infeasible in practice. We thus proposed different frequency-domain turboequalizer structures for OFDM-coded or single-carrier MIMO systems whose complexity makes them compatible with an implementation. Recent studies proved that the capacity of interference channels linearly increases with the number of users. Interferenc alignment enables to achieves the optimum limit. We proposed optimized interference alignment schemes which increase the maximum data rate that can be achieved in the range of practical SNR values. We then focused on reception in interference channels for different scenarii. The first detection applied in the context of uplink transmission assuming base station cooperation is based on the exploitation of the sparse nature of signals. It can be used in the case when the user number is higher than the base station antenna number. Original interference alignment scheme assume perfect knowledge of the whole channel everywhere which is infeasible in the downlink case at the user side. We thus proposed a second detection suitable for this context and based on blind source separation techniques.As for sensor networks, we considered the case of metering from a high number of wireless sensors with the help of a relay, which involves reliable and short transmissions. We proposed a cooperation scheme based on a distributed product code between sources and the relay. We theoretically established the amount of redundancy required and added by the relay. We also computed a theoretical upper bound of the bit error probability of a minimum-distance optimized receiver which takes into account the errors in the relay. We deduce that the source-relay transmission link quality is the bottleneck of the cooperation scheme, which proves useful when the source-to-relay channel conditions are satisfactory and when the source-to-destination link quality is too poor to ensure reliable transmission. My perspectives immediately lie in the interference management context by progressively taking into account the constraints of higher layers (MAC). Massive MIMO and cell size reduction (with or without heterogeneous networks) are other perspectives. In the long term, I will investigate machine-to-machines communications.Les communications radio-mobiles ont connu un essor sans précédent depuis les années 1990. Les techniques de transmission, appuyées par les progrès technologiques, se sont significativement améliorées pour faire face à la double croissance du débit et du trafic. Par exemple, le principe turbo a permis d'obtenir des récepteurs quasi-optimaux, robustes, et de complexité raisonnable, tandis que les systèmes multi-antennes (MIMO) se sont imposés comme solution de croissance des efficacités spectrales pour une puissance d'émission fixe. Aujourd'hui, la principale limitation à l'augmentation du trafic et du nombre d'utilisateurs reste l'interférence. Or, les prévisions pour la décennie à venir annoncent une multiplication par un facteur mille du trafic, principalement due à l'explosion du nombre de machines connectées (communications M2M). Sans anticipation des mécanismes de gestion des interférences, les promesses ne pourront être tenues. Mes travaux de recherche s'insèrent dans ce contexte et se déclinent en trois axes principaux : le codage espace-temps, le traitement des interférences et la coopération dans des réseaux de capteurs. La conception usuelle des codes espace-temps n'intègre pas la contrainte de correction des erreurs de transmission et suppose une détection optimale en réception. En pratique, un code correcteur d'erreur est inséré dans la chaîne de transmission et selon le code espace-temps, une détection à maximum de vraisemblance est trop complexe. Nous avons donc développé un ensemble de méthodes génériques de construction de codes espace-temps correcteurs d'erreur à diversité maximale intégrant un code correcteur d'erreur dans leur définition. Les codes dérivés sont bien adaptés à une concaténation avec un code correcteur d'erreur externe et l'identification d'un code produit équivalent conduit à une structure de réception efficace et de complexité réduite. Nous avons également conçu des codes à dispersion linéaire, de rendement plein et à diversité maximale, optimisés sous les contraintes d'un code correcteur d'erreur externe et d'un turboégaliseur en réception. Les codes obtenus possèdent un meilleur état de convergence optimale du turboégaliseur, une plus petite valeur du rapport signal à bruit minimal, nécessaire à la convergence sur la borne inférieure, ainsi qu'un meilleur rapport entre la puissance crête et la puissance moyenne, comparé aux codes de la littérature. Sur un canal sélectif en fréquence, l'interférence entre symbole peut être traitée à l'émission en adoptant une forme d'onde OFDM ou en réception en utilisant un détecteur adapté. Dans le cas d'un système MIMO, s'ajoute l'interférence entre antennes. La forme d'onde OFDM offre l'avantage d'une complexité de réception moindre comparée à une égalisation temporelle d'une forme d'onde monoporteuse, au détriment de la diversité disponible. L'égalisation dans le domaine fréquentiel rend la solution monoporteuse compétitive vis-à-vis d'une solution OFDM équivalente. Nous avons donc étudié l'adaptation des codes espace-temps aux canaux sélectifs en fréquence, en imposant une forme d'onde monoporteuse et une égalisation dans le domaine fréquentiel. La complexité de la détection optimale de la concaténation du code espace-temps avec un code correcteur d'erreur la rend infaisable en pratique. Une alternative est la turboégalisation. Nous avons proposé différentes structures de turboégalisation fréquentielle pour des schémas MIMO codés OFDM et monoporteuse équivalents. L'analyse théorique de l'état optimal de convergence confirmée par des simulations démontre une diversité supérieure dans le cas monoporteuse, conduisant à une probabilité d'erreur inférieure. Par ailleurs, l'annuleur d'interférence comporte une inversion de matrice, qui contribue en grande partie au coût global de calculs. Pour réduire la complexité, nous avons proposé une structure originale et brevetée, basée sur une approximation optimisée de l'inversion matricielle à partir d'un développement en série. Des travaux récents ont démontré la croissance linéaire asymptotique (rapport signal à bruit infini) des canaux à interférence en fonction du nombre d'utilisateurs. Les schémas d'alignement d'interférence permettent d'atteindre cette limite. Nous nous sommes intéressés à l'optimisation de ces schémas pour augmenter le débit maximal pouvant être atteint dans des gammes de rapport signal à bruit pratiques. Nous avons ensuite considéré la problématique de réception sur un canal à interférence en prenant en compte différents scénarios. L'originalité du premier détecteur, appliqué dans le contexte d'une liaison montante avec coopération des stations de base, repose sur l'exploitation de la parcimonie des signaux. Ce récepteur est adapté au cas où le nombre de terminaux est supérieur au nombre de stations de base et son application n'est pas limitée par les dimensions du système. Le schéma original d'alignement d'interférence suppose la connaissance parfaite de la globalité du canal en toute extrémité. Dans le cas de la liaison descendante, cette hypothèse sera difficilement vérifiée au niveau des terminaux. Nous avons donc conçu un second détecteur, adapté à ce contexte et basé sur des techniques de séparation de source aveugle. Les principaux intérêts de ce système sont d'une part qu'il ne nécessite aucune estimation du canal en réception, limitant ainsi le nombre de données pilote requis, et d'autre part qu'il est robuste à des erreurs d'estimation du canal à l'émission (conception du schéma d'alignement d'interférence). S'agissant des réseaux de capteurs, nous avons considéré le contexte du rapport de données de mesures vers un serveur distant depuis un nombre élevé de capteurs sans fil, à l'aide d'un relais, impliquant la transmission fiable et rapide de blocs courts. Nous avons étudié une solution de coopération basée sur un code produit distribué entre les sources et le relais. La première originalité de nos travaux est l'établissement d'une approximation de la borne supérieure du débit maximal atteignable dans le cas de mots de code de longueur finie et d'une modulation à alphabet discret, fini. Elle nous a permis d'optimiser la quantité de redondance, ajoutée par le relais en fonction des conditions des canaux en présence. La seconde contribution majeure de nos travaux est le calcul d'une borne supérieure de la probabilité d'erreur en sortie d'un décodeur basé sur la minimisation de la distance minimale, prenant en compte la présence d'erreurs dans le relais. Nous avons mesuré la dégradation apportée par les erreurs sur le lien source-relais, qui permet d'établir les plages de rapports signal à bruit (source-relais et source-destination) pour lesquelles l'utilisation du relais apporte un gain et de quantifier ce gain. %Nous en avons déduit que le lien source-relais était le goulot d'étranglement du schéma coopératif et que la coopération était utile en présence de conditions favorables sur le lien source-relais, lorsque la qualité de transmission sur le lien source-destinataire était insuffisante pour garantir l'acheminement fiable des informations. Mes perspectives de recherche se situent dans la continuité de la réflexion amorcée sur la gestion des interférences, en intégrant progressivement l'interaction de la couche physique avec ses couches supérieures (MAC/réseau). J'envisage d'examiner la pertinence du Massive MIMO (nombre d'antennes côté station de base bien supérieur au nombre moyen de terminaux actifs) et/ou de la réduction de la taille des cellules (avec ou sans réseaux hétérogènes) pour répondre à la problématique de croissance des débits et du trafic sous contraintes d'efficacité d'énergie et de sécurisation des données en transit. A plus long terme, je souhaite m'investir dans la recherche d'architectures adaptées aux spécificités des communications M2M