Analysis and design of space-time block codes for coded MIMO transmissions

Most of the modern wireless communication systems as WiMAX, DVB-NGH, WiFi, HSPA+ and 4G have adopted the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver, called multiple-input multiple-output (MIMO). Space time coding for MIMO systems is a promising technology to increase the data rate and enhance the reliability of wireless communications. Space-time block codes (STBCs) are commonly designed according to the rank-determinant criteria suitable at high signal to noise ratios (SNRs). In contrast, wireless communication standards employ MIMO technology with capacity-approaching forward-error correcting (FEC) codes like turbo codes and low-density parity-check (LDPC) codes, ensuring low error rates even at low SNRs. In this thesis, we investigate the design of STBCs for MIMO systems with capacity-approaching FEC codes. We start by proposing a non-asymptotic STBC design criterion based on the bitwise mutual information (BMI) maximization between transmitted and soft estimated bits at a specific target SNR. According to the BMI criterion, we optimize several conventional STBCs. Their design parameters are shown to be SNR-dependent leading to the proposal of adaptive STBCs. Proposed adaptive STBCs offer identical or better performance than standard WiMAX profiles for all coding rates, without increasing the detection complexity. Among them, the proposed adaptive trace-orthonormal STBC can pass continuously from spatial multiplexing, suitable at low SNRs and therefore at low coding rates, to the Golden code, optimal at high SNRs. Uncorrelated, correlated channels and transmit antenna selection are considered. We design adaptive STBCs for these cases offering identical or better performance than conventional non-adaptive STBCs. In addition, conventional STBCs are designed in a way achieving the asymptotic DMT frontier. Recently, the finite-SNR DMT has been proposed to characterize the DMT at finite SNRs. Our last contribution consists of the derivation of the exact finite-SNR DMT for MIMO channels with dual antennas at the transmitter and/or the receiver. Both uncorrelated and correlated Rayleigh fading channels are considered. It is shown that at realistic SNRs, achievable diversity gains are significantly lower than asymptotic values. This finite-SNR could provide new insights on the design of STBCs at operational SNRs.Les systèmes de communication modernes sans fil tels que WiMAX, DVB, WiFi, HSPA+ et 4G ont adopté l'utilisation de plusieurs antennes en émission et en réception. Pour ces systèmes dits Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), le codage espace-temps en blocs ou Space Time Block Codes (STBCs) est une technologie prometteuse permettant d'augmenter le débit et la fiabilité des communications sans fil. Les STBCs sont souvent conçus selon des critères asymptotiques, appropriés pour les rapports signal-à-bruit (RSB) élevés. En revanche, les standards définissent l'utilisation du codage MIMO en association avec un codage correcteur d'erreur puissant ou Forward Error Correcting (FEC) comme un turbo code ou un code Low-Density Parity-Check (LDPC) garantissant de faibles taux d'erreurs même pour de faibles RSBs. Dans cette thèse, nous étudions la construction des STBCs pour les systèmes MIMO utilisant un FEC puissant. Dans un premier temps, nous proposons un critère de construction non asymptotique des STBCs, basé sur la maximisation de l'information mutuelle entre les bits émis et reçus, dite Bitwise Mutual Information (BMI). Selon ce critère d'information mutuelle, nous optimisons plusieurs STBCs. Ensuite, nous proposons des STBCs adaptatifs grâce à l'optimisation de leurs paramètres selon le RSB. Les codes proposés conduisent à des performances identiques ou meilleures que les codes du standard WiMAX pour tous les rendements de codage FEC, sans pour autant augmenter la complexité de détection. Parmi eux, le code trace-orthonormal adaptatif proposé permet de passer de manière continue du multiplexage spatial, adapté pour les faibles RSBs et donc pour les rendements de codage faibles, au code d'or, optimal à fort RSB. Les canaux non corrélés, corrélés et une sélection d'antennes à l'émission sont considérés. Nous montrons qu'il est possible de construire des codes STBC adaptatifs également pour ces cas de figure et qu'ils présentent des performances identiques ou meilleures que les codes non adaptatifs. De surcroît, les STBCs classiques sont construits de manière à atteindre la frontière asymptotique du compromis diversité-gain de multiplexage ou Diversity-Multiplexing Tradeoff (DMT). Récemment, un DMT dépendant du RSB ou finite-SNR DMT a été proposé visant à caractériser le DMT selon le RSB. Notre dernière contribution consiste à dériver l'expression exacte du DMT à RSB fini pour les systèmes MIMO ayant deux antennes en émission et/ou en réception. Les canaux de Rayleigh non corrélés et corrélés sont considérés. Pour les RSB opérationnels, nous montrons que les gains de diversité atteints sont largement inférieurs aux valeurs asymptotiques. Ce DMT peut s'avérer être un nouvel outil de grande utilité pour construire des STBCs efficaces pour différentes valeurs de RSBs opérationnels.CESSON SEVIGNE-Télécom Breta (350512301) / SudocSudocFranceF