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Institut d'Électronique et des Technologies du numéRique
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Soutenance de thèse

Majed SAAD soutient sa thèse intitulée :

Retour à la modulation mono-porteuse pour des communications au-delà de 90 GHz

La soutenance se déroulera à CentraleSupélec, Campus de Rennes, le mardi 15 décembre à 10h30 en salle 151, et via Visioconférence sur Microsoft Teams (URL de connexion)

Pour obtenir de l’aide sur la connexion Teams sans compte, consultez ce lien

Résumé  :
Pour les futures applications de l’après 5G, qui seront très gourmandes en données, des communications sans fils de l’ordre du Terabits/s sont envisagées. Pour atteindre ce niveau de débit, il faudra disposer d’une grande largeur de bande. Comme le spectre est déjà saturé autour de 6 GHz, il est envisagé d’utiliser la bande sous-THz (90-200GHz). Les formes d’ondes doivent être étudiées en prenant en compte les caractéristiques des canaux à ces fréquences, les limitations technologiques, la sensibilité aux défauts RF (bruit de phase, par exemple). Nous avons donc proposé d’étudier une modulation mono-porteuse très efficace énergétiquement, puis d’accroitre son efficacité spectrale par des techniques d’indexation et des techniques MIMO.

Dans un premier temps les techniques MIMO multiplex spatial et spatial Index Modulation (GSM) sont étudiées. En particulier des détecteurs réduisant la complexité de 99% sont proposés. La très forte corrélation spatiale du GSM est aussi étudiée et des solutions pour en diminuer l’effet sont proposées. Une modulation d’index dans le domaine de la polarisation est aussi proposée pour augmenter l’efficacité spectrale.

Dans un second temps, nous proposons un nouveau domaine pour l’indexation : le domaine filtre. Ce domaine généralise la plupart des schémas de modulation d‘Index existants. Dans ce domaine filtre, nous avons proposé deux nouvelles modulations d’index : la modulation d’index de filtre de mise en forme (FSIM) et sa version en phase et en quadrature (I/Q-FSIM). Une version MIMO de ces modulations est aussi proposée. Différents détecteurs sont proposés, ainsi que des techniques d’égalisation. Les performances théoriques de ces modulations sont développées et validées par des simulations. Ces modulations nécessitent de définir des bancs de filtres avec de fortes contraintes. Deux solutions sont proposées pour résoudre ce challenge, qui font partie des perspectives de cette thèse. Tous nos résultats confirment que la modulation FSIM MIMO offre un gain considérable par rapport aux modulations de l’état de l’art et permet d’atteindre le Terabits/s dans les canaux sous-THz.

Abstract  :
Wireless Terabits per second (Tbps) link is needed for the new emerging data-hungry applications in Beyond 5G (B5G) (e.g., high capacity broadband, enhanced hotspot, 3D extended reality, etc.). The sub-GHz bands are scarce and overused, while the considered millimeter Wave bands in 5G are insufficient to reach the desired ultra-high throughput. Thus, the sub-THz/THz bands are envisaged as the next frontier for B5G wireless communication. Even though a wider bandwidth and large-scale MIMO are envisioned at sub-THz bands, but the system and waveform design should consider the channel characteristics, technological limitations, and high RF impairments. Based on these challenges, we proposed to use an energy-efficient low order single carrier modulation accompanied by spectral-efficient Index Modulation (IM) with advanced MIMO techniques

In the first part of this thesis, the spectral-efficient MIMO Spatial Multiplexing (SMX) and Generalized Spatial Modulation (GSM), that generalizes several spatial IM schemes, are studied in the sub-THz environment. In particular, the high spatial correlation effect on GSM system is tackled by proposing two relevant techniques, and an optimal detector offering a 99% computational complexity reduction is proposed for each scheme. Besides, we proposed dual-polarized (DP)-GSM that provides higher spectral efficiency (SE) via multi-dimensional IM.

In the second part, we proposed a novel IM domain, called filter IM domain, that generalizes most existing SISO IM schemes. In this new IM domain, we proposed two novel schemes : Filter Shapes IM (FSIM) and Quadrature FSIM (IQ-FSIM), to enhance system SE and energy efficiency (EE) while providing other critical advantages for sub-THz systems. In addition, their optimal low complexity detectors and their specialized equalization techniques are designed. Striving for further SE and EE improvement, this proposed IM domain is exploited in MIMO context. Besides, we theoretically characterized the performance of all the three proposed systems in the novel IM domain and DP-GSM scheme of the first part. To conclude, the proposed SMX-FSIM is compared in the sub-THz environment to the previously considered candidates. The results confirm that SMX with FSIM based scheme is the most promising solution for a low-power wireless Tbps B5G system due to its high SE/EE, robustness to RF impairments, low power consumption, and low complexity/cost with a simple linear receiver. Finally, the challenging filter bank design problem imposed by the filter IM domain is tackled by optimization approach to achieve better results.






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