Advanced Techniques for Achieving Near Maximum-Likelihood Soft Detection in MIMO-OFDM Systems and Implementation Aspects for LTE/LTE-A
Résumé
In this thesis, spatial multiplexing-MIMO communication schemes with OFDM modulation are considered with a focus on 4x4 systems. In order to achieve the 3GPP LTE and 3GPP LTE-A requirements, the design of detector's architecture with high performance, low latency and applicable computational complexity is a challenging research topic at the receiver due to the power and latency limitations of mobile communication systems. The challenge consists in providing a detector that achieves near-optimum performance, while offering polynomial computational complexity. Simultaneously, implementation aspects are carefully considered, thus parallel and fixed computational complexity algorithms are strongly favoured. As an answer to the encountered issues, particular attention is paid to the detector's architecture. In particular, the adopted strategy lies in shifting as much as possible of the computational complexity to the preprocessing step that is dataindependent. Throughout the present work and in addition to the background and preliminaries introduction, an inventory of the main existing hard-decision solutions is introduced. It presents the heart of the subject and an original detector is subsequently proposed. It includes - among others - both lattice reduction and sphere decoding aspects. Its advantage over the existing techniques is presented and is shown to be preserved through its softdecision extension. As expected, the strategic choice of shifting the computational complexity to the preprocessing step is shown to be winning. It is due to significant decrease in the computational complexity, which is addressed in this thesis. As a result, the present work has led to the proposal of an original detector that is promising from both the computational complexity and the performance points of view. Namely, it leads to an almost constant - in the constellation size - computational complexity, while offering near-maximum likelihood performance. Consequently, the proposed soft-decision detector compares to existing 4x4 detectors as a very efficient solution.
Cette thèse traite des systèmes MIMO à multiplexage spatial, associés à la modulation OFDM. L'étude s'attarde particulièrement sur les systèmes 4x4, inclus ou à l'étude dans les normes 3GPP LTE et 3GPP LTE-A. Ces dimensions particulières nécessitent une étude de conception poussée du récepteur. Il s'agit notamment de proposer des détecteurs qui affichent à la fois de bonnes performances, une faible latence et une complexité de calcul réalisable dans un système embarqué. Le défi consiste plus particulièrement à proposer un détecteur offrant des performances quasi-optimales, tout en ne nécessitant qu'une complexité de calcul polynomiale. Une attention particulière est prêtée aux problèmes d'implantation. Ainsi, avantage est donné aux algorithmes à complexité fixe et permettant la réalisation d'opérations en parallèle. En réponse aux problématiques rencontrées, l'architecture du détecteur requiert une attention particulière. Le choix stratégique adopté est de chercher à transférer au prétraitement - qui ne dépend pas des données - le plus possible de complexité de calcul. Au cours de ce travail et suite à l'introduction du contexte général et des principaux pré-requis, l'inventaire des grandes tendances dans la littérature en ce qui concerne les détecteurs à décision dure est fait. Ils constituent le coeur du sujet et un détecteur original est proposé, incluant notamment les aspects de réduction de réseau et de décodage sphérique. Son avantage par rapport aux techniques existantes est ainsi démontré, et les résultats prometteurs sont maintenus lors de son extension à la décision souple. Comme attendu, le choix de transférer au prétraitement la complexité de calcul s'avère gagnant. Notamment, la réduction de complexité de calcul qu'il permet est présentée dans cette thèse. Parmi les principaux résultats, ce travail a débouché sur la proposition d'un détecteur original, qui a démontré un compromis entre performance et complexité de calcul efficace. Notamment, il requiert une complexité de calcul presque constante - selon les tailles de constellation -, tout en offrant des performances proches du maximum de vraisemblance. Par conséquent, le détecteur à décision souple proposé se positionne par rapport à l'état de l'art comme une solution d'une grande efficacité dans les systèmes 4x4.
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