La technique de transmission multi-porteuse à étalement de spectre, MC-CDMA, est un candidat potentiel pour les interfaces radio des futurs systèmes radio mobiles. Cette technique bénéficie d'une part de la robustesse de la transmission multi-porteuse OFDM face à la propagation multi-trajets et d'autre part de la flexibilité de l'accès multiple à répartition par codes CDMA. Cette thèse s'intéresse à l'étude des performances systèmes de la technique MC-CDMA en voie descendante. L'objectif est de valider au niveau système les concepts et algorithmes de la couche physique MC-CDMA.<br />La thèse s'articule autour de deux thématiques qui sont liées. La première thématique concerne l'abstraction de la couche physique au niveau système. Cette thématique est aussi connue sous le nom d'interfaçage entre les niveaux lien physique et système. L'abstraction de la couche physique a pour principal objectif de définir une mesure adéquate pour prédire la qualité de transmission au niveau système. Dans cette thèse, nous étudions l'abstraction de la couche physique suivant deux échelles de temps. La première échelle est macroscopique et porte sur la transmission de plusieurs trames de données subissant des évanouissements de canal indépendants. La deuxième échelle est dite microscopique et porte sur la transmission d'une seule trame de données subissant un évanouissement particulier du canal. L'abstraction macroscopique est appropriée pour une évaluation des performances systèmes par des simulations systèmes statiques alors que l'abstraction microscopique est plus appropriée pour une évaluation plus précise des performances systèmes ainsi que pour étudier les algorithmes d'adaptation de lien par des simulations systèmes dynamiques. Dans notre étude, nous analysons les problèmes soulevés par les deux types d'abstraction et proposons des nouvelles solutions appropriées.<br />La deuxième thématique concerne l'évaluation de la capacité cellulaire des algorithmes et configurations de la couche physique MC-CDMA. En utilisant l'abstraction macroscopique, nous développons une méthodologie semi analytique d'évaluation de la capacité cellulaire. L'évaluation de la capacité est faite aussi bien au niveau lien à travers un nouvel indicateur de capacité qu'au niveau système à travers un simulateur statique de type Monte Carlo. La méthodologie développée ici est un outil simple et efficace pour identifier les algorithmes et configurations de couche physique les mieux adaptés pour un environnement donné.<br /><br />Mots clefs - MC-CDMA, modélisation d'interférence, interfaçage lien système, capacité cellulaire, simulations systèmes.

La technique ultra large bande (UWB) par impulsions consiste à émettre des impulsions de courte durée et de faible énergie offrant ainsi la possibilité de transmettre de l'information à de hauts débits et à faible coût. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux systèmes ultra large bande à accès multiple par répartition de codes de saut temporel (TH-UWB) dans un contexte asynchrone et dans un environnement de propagation à trajets multiples. Un récepteur rake a été mis en place. Nous avons calculé de manière analytique la variance de l'interférence multi-utilisateur (MUI) en sortie de ce récepteur. Ceci nous a permis d'identifier les paires dites optimales qui minimisent cette variance. Nous avons constaté qu'utiliser ces paires permet d'améliorer significativement le taux d'erreur binaire du système. Une démarche similaire a été appliquée aux systèmes DS-UWB et DS-CDMA, en effet ces systèmes s'expriment analytiquement de manière identique au système TH-UWB. Ainsi nous avons pu caractériser les paires optimales. Nous avons ensuite comparé les performances de ces différents systèmes lorsque la variance de la MUI est minimale. La variance de l'interférence entre symboles et entre trames (ISI / IFI) a été calculée analytiquement. Ceci nous a permis de dimensionner le récepteur rake et le temps de garde intelligemment. Nous avons également observé, en absence d'ISI / IFI et de bruit, un seuil sur la probabilité d'erreur. En modifiant légèrement le récepteur, nous avons éliminé ce seuil. Enfin nous avons établi les bornes de Cramer-Rao relatives à l'estimation des paramètres du canal (amplitudes et retards) en supposant que les trajets pouvaient se chevaucher.

Dans cette thèse, les récepteurs de Wiener optimaux et sous-optimaux à rang réduit pour le CDMA sont étudiés. La thèse est divisée en deux partie. Dans la première partie, les récepteurs sous-optimaux consisant d'un égaliseur de Wiener à rang réduit au rythme chip suivi de desétalement sont étudiés. Un égaliseur à rang réduit est un égaliseur pour lequel quelques coefficients seulement sont optimisés. Le rang du filtre est le nombre de coefficient optimisés. Dans la deuxième partie, la performance asymptotique de quelques récepteurs linéaires est evaluée. Pour étudier la performance asymptotique, on suppose que les codes d'étalement sont aléatoires suivant une certaine distribution. Le rapport Signal à Interference plus Bruit (SINR) à la sortie du récepteur peut ainsi être interprété comme une variable aléatoire. Il est possible de démontrer que ces variables aléatoires tendent vers des valeurs deterministes finies quand le facteur d'étalement et le nombre d'utilisateurs tendent vers l'infini de telle façon que leur rapport reste fini. Ces limites peuvent être utilisées pour comprendre les facteurs qui controlent la performance tels que le canal de propagation, le bruit et le facteur de charge. On présente les résultats précédents relatifs au récepteurs de Wiener optimaux à rang réduit. Ces résultats sont après étendus au récepteurs de Wiener sous-optimaux à rang réduit.On démontre que la convergence du SINR d'un récepteur de Wiener à rang réduit vers celui du récepteur à rang plein est très rapide. Dans le dernier chapitre, on étudie la performance asymptotique de la diversité à la transmission combinée avec un récepteur RAKE où un égaliseur MMSE.

High data rate applications are the trend in today's wireless technology. W-CDMA standard was designed to support such high data rates of up to 3.84 Mcps. The main purpose of this research was to analyze the feasibility of a fixed-point implementation of the W-CDMA downlink receiver algorithm on a general-purpose digital signal processor (StarCore SC140 by Motorola). The very large instruction word architecture of SC140 core is utilized to generate optimal implementation, to meet the real time timing requirements of the algorithm. The other main aim of this work was to study and evaluate the performance of the W-CDMA downlink structure with incorporated space-time transmit diversity. The effect of the channel estimation algorithm used was extensively studied too.

Design and analysis of random-like codes for various multiple-input and multiple-output communication systems are addressed in this work. Random-like codes have drawn significant interest because they offer capacity-achieving performance. We first consider the analysis and design of low-density parity-check (LDPC) codes for turbo multiuser detection in multipath CDMA channels. We develop techniques for computing the probability density function (pdf) of the extrinsic messages at the output of the soft-input soft-output (SISO) multiuser detectors as a function of the pdf of input extrinsic messages, user spreading codes, channel impulse responses, and signal-to-noise ratios. Using these techniques, we are able to accurately compute the thresholds for LDPC codes and design good irregular LDPC codes. We then apply the tools of density evolution with mixture Gaussian approximations to optimize irregular LDPC codes and to compute minimum operational signal-to-noise ratios for ergodic MIMO OFDM channels. In particular, the optimization is done for various MIMO OFDM system configurations which include different number of antennas, different channel models and different demodulation schemes. We also study the coding-spreading tradeoff in LDPC coded CDMA systems employing multiuser joint decoding. We solve the coding-spreading optimization based on the extrinsic information SNR evolution curves for the SISO multiuser detectors and the SISO LDPC decoders. Both single-cell and multi-cell scenarios will be considered. For each of these cases, we will characterize the extrinsic information for both finite-size systems and the so-called large systems where asymptotic performance results must be evoked. Finally, we consider the design optimization of irregular repeat accumulate (IRA) codes for MIMO communication systems employing iterative receivers. We present the density evolution-based procedure with Gaussian approximation for optimizing the IRA code ensemble. We adopt an approximation method based on linear programming to design an IRA code with the extrinsic information transfer (EXIT) chart matched to that of the soft MIMO demodulator.

The uplink of code division multiple access (CDMA) cellular radio systems is often interference limited. The interference originates from many users whose transmission powers are not observable for the system. This thesis introduces uplink load and applies means of explicitly considering the users’ radio environment when approximating and controlling the load. A desirable property of all cellular radio systems is uplink feasibility, i.e., existence of finite user transmission powers to support the allocated services. Uplink load can be considered as a measure of how far from infeasibility the system is. The performed characterization of uplink load lead to two concrete definitions related to the amount of received and transmitted power, respectively. An important part of the total load is the intercell load which is caused by users connected to neighboring base stations. If not carefully handled, the intercell load can jeopardize uplink feasibility. Conversely, knowledge of a lower intercell load can be used to increase the resource assignments. A common denominator in all the work in this thesis is that the intercell load is explicitly considered. When approximating uplink load, a centralized approach is adopted to study information gathered in several base stations. This yields good approximations of the average load. However, centralized approximations can not detect momentarily peaks in the load. A number of resource allocation algorithms making control decisions in the local base stations are proposed based on experience from characterizing uplink load. As the algorithms study the intercell load, yet without measuring the interference power, they are robust in the sense that they will never assign resources yielding an infeasible system. A straightforward way of controlling the uplink load is to use measurements of the received interference power. This approach, just as the proposed load approximations, can gain from knowing the background noise power. The same framework used for designing robust resource allocation algorithms, is also used for estimating the background noise power.

In spread spectrum systems employing parity bit selected spreading sequences, parity bits generated from a linear block encoder are used to select a spreading code from a set of mutually orthogonal spreading sequences. In this thesis, turbo receivers for SS-PB systems are proposed and investigated. In the transmitter, data bits are rst convolutionally encoded before being fed into SS-PB modulator. In fact, the parity bit spreading code selection technique acts as an inner encoder in this system without allocating any transmit energy to the additional redundancy provided by this technique. The receiver implements a turbo processing by iteratively exchanging the soft information on coded bits between a SISO detector and a SISO decoder. In this system, detection is performed by incorporating the extrinsic information provided by the decoder in the last iteration into the received signal to calculate the likelihood of each detected bit in terms of LLR which is used as the input for a SISO decoder. In addition, SISO detectors are proposed for MC-CDMA and MIMO-CDMA systems that employ parity bit selected and permutation spreading. In the case of multiuser scenario, a turbo SISO multiuser detector is introduced for SS-PB systems for both synchronous and asynchronous channels. In such systems, MAI is estimated from the extrinsic information provided by the SISO channel decoder in the previous iteration. SISO multiuser detectors are also proposed for the case of multiple users in MC-CDMA and MIMO-CDMA systems when parity bit selected and permutation spreading are used. Simulations performed for all the proposed turbo receivers show a signi cant reduction in BER in AWGN and fading channels over multiple iterations.

In spread spectrum systems employing parity bit selected spreading sequences, parity bits generated from a linear block encoder are used to select a spreading code from a set of mutually orthogonal spreading sequences. In this thesis, turbo receivers for SS-PB systems are proposed and investigated. In the transmitter, data bits are rst convolutionally encoded before being fed into SS-PB modulator. In fact, the parity bit spreading code selection technique acts as an inner encoder in this system without allocating any transmit energy to the additional redundancy provided by this technique. The receiver implements a turbo processing by iteratively exchanging the soft information on coded bits between a SISO detector and a SISO decoder. In this system, detection is performed by incorporating the extrinsic information provided by the decoder in the last iteration into the received signal to calculate the likelihood of each detected bit in terms of LLR which is used as the input for a SISO decoder. In addition, SISO detectors are proposed for MC-CDMA and MIMO-CDMA systems that employ parity bit selected and permutation spreading. In the case of multiuser scenario, a turbo SISO multiuser detector is introduced for SS-PB systems for both synchronous and asynchronous channels. In such systems, MAI is estimated from the extrinsic information provided by the SISO channel decoder in the previous iteration. SISO multiuser detectors are also proposed for the case of multiple users in MC-CDMA and MIMO-CDMA systems when parity bit selected and permutation spreading are used. Simulations performed for all the proposed turbo receivers show a signi cant reduction in BER in AWGN and fading channels over multiple iterations.

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En la presente tesis doctoral se ha realizado una serie de aportaciones para contribuir al desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación. Esta nueva generación de sistemas utilizará una técnica de acceso del tipo CDMA y pretende poder garantizar una cierta calidad de transmisión en las comunicaciones. En este sentido, esta tesis presenta nuevas propuestas tanto para el protocolo de acceso al medio (MAC) como para los algoritmos de gestión de los recursos radio (RRM).Las propuestas han sido presentadas, estudiadas y analizadas en diferentes entornos representativos de trabajo y se ha demostrado su validez para su utilización en un sistema real de comunicaciones. Además, por su sencillez de implementación y alta eficiencia en la utilización de los recursos, se ha comprobado que todas ellas son candidatas muy adecuadas para poder formar parte de los estándares en formación para los citados sistemas.Glosando los aspectos desarrollados en la presente tesis doctoral, cabe destacar los siguientes puntos:? Se han estudiado en profundidad las necesidades y requerimientos del interfaz radio en los sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación, centrando el estudio en las transmisiones en modo paquete para entornos con acceso CDMA.? Se ha propuesto un nuevo protocolo MAC para trabajar en este entorno de operación. Asimismo, se ha realizado un modelo teórico del protocolo para el análisis de su rendimiento en sistemas genéricos con tráfico homogéneo. Se ha analizado con detalle el modelo para demostrar las propiedades cuasi-óptimas del protocolo, tanto en retardo como en throughput y estabilidad. El protocolo además introduce un concepto nuevo de control distribuido que minimiza la información de control necesaria, mejorando con ello las prestaciones del sistema.? Se han realizado simulaciones por ordenador de un sistema de comunicaciones cuyo MAC es el nuevo protocolo propuesto para verificar la validez del modelo teórico. Se ha comprobado que se minimiza el retardo de propagación, se alcanza la máxima eficiencia en la utilización del canal radio y se mantiene la estabilidad para cualquier carga de tráfico.? Se ha propuesto una estructura de receptor físico para la detección de las secuencias de peticiones de acceso. Se ha analizado el rendimiento del receptor y se han derivado las probabilidades de error en la detección de las secuencias para entornos reales móviles. En esta situación, se ha realizado el estudio de estabilidad del protocolo y se han introducido las modificaciones necesarias para mantener la robustez del mismo, alcanzando el objetivo buscado.? Se ha realizado un trabajo de optimización del protocolo de acceso para mantener sus propiedades para cualquier entorno de tráfico de entrada, haciendo especial hincapié en el peor escenario posible. Este escenario es aquel en el que los usuarios generan mensajes muy racheados de longitud mínima. Se han introducido nuevas mejoras en el protocolo para mantener su rendimiento cuasi-óptimo en este escenario límite.? Se han realizado nuevas simulaciones de sistema por ordenador de cara a demostrar la capacidad inherente del protocolo para manejar situaciones de tráfico heterogéneo donde es posible adaptar las velocidades de transmisión de forma dinámica para mejorar el rendimiento del sistema. Para este cometido se han definido unos modelos de tráfico basados en las aplicaciones más usuales.? Se ha estudiado el comportamiento de un sistema celular de comunicaciones móviles donde el protocolo MAC es el nuevo protocolo propuesto. Se han realizado simulaciones en las que se demuestra que es posible mejorar el rendimiento general del sistema gracias al uso de la información de control que ofrece el propio protocolo en los criterios para la gestión de los handovers y el control de potencia.? Se han propuesto y analizado nuevas estrategias de gestión de los recursos radio, tanto para el subsistema de transmisión como para el subsistema de resolución de colisiones, de cara a dotar al sistema de la capacidad de garantizar una cierta calidad de servicio en las comunicaciones. Estas estrategias mantienen la idea de la gestión distribuida, lo que minimiza la información de señalización necesaria en el sistema. Se han definido unas clases de servicio de comprobación, con sus correspondientes parámetros de calidad y se ha demostrado el correcto funcionamiento del sistema en presencia de tráfico heterogéneo proveniente de todas estas clases. Se ha verificado que se cumplen los requisitos exigidos al sistema, cumpliéndose los criterios de prioridad y garantizando la calidad de las transmisiones.Por tanto, podemos concluir que la presente tesis doctoral se enmarca dentro de los estudios de investigación orientados a ofrecer nuevas aportaciones para ser incluidas en el nivel 2 del modelo OSI de los futuros sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación. / This thesis provides some new contributions for the development of the future third generation mobile communication systems. This new generation will use a CDMA multiple access technique and pretends to guarantee a certain quality of service in the transmissions. In this sense, this thesis presents new proposals of Medium Access Control Protocols (MAC) and radio resource management algorithms (RRM).These proposals have been presented, studied and analysed in different representative scenarios and it has been proved their suitability for a real communication system. They are also simple to implement and they have a very high efficiency in the use of the transmission resources. Therefore, all of them are promising in order to became part of the future standards.Summarising the main aspects of the thesis, they are:? The requirements of the radio interface of the future third generation mobile communication systems have been studied in detail, focusing in packet switched mode and CDMA access.? A new MAC protocol has been proposed to work in this scenario. A theoretical model has been developed in order to obtain its performance in a generic traffic situation. The near-optimum properties of the protocol have been demonstrated. These properties affect delay, throughput and stability. The protocol also introduces a new concept of distributed control, which minimises control information, improving the overall performance.? Some computer simulations have been carried out to verify the analytic model. It has been proved that the packet delay is minimised and the channel efficiency is almost the maximum theoretical one. Also, the stability is kept for any traffic load.? A receiver structure for the detection of the access requests has been proposed. This scheme has been studied and analysed, and all the misdetection probabilities have been derived in the presence of a real radio channel with fast fading. The required modifications in the MAC protocol needed to maintain the stability have been introduced and analysed. ? The MAC protocol parameters have been optimised in order to keep the same performance properties whichever the traffic load pattern could be. In particular, the worst case scenario of very frequent short messages has been studied in detail. Some modifications have been proposed and introduced in order to reach this objective.? Some computer simulations have been carried out to demonstrate the inherent capacity of the MAC protocol to operate in heterogeneous traffic situations. Also, a dynamic rate adaptation algorithm has been proposed and analysed to improve the overall performance.? A cellular mobile communications system based on the MAC protocol has been designed and simulated. It has been proved that the control information of the protocol can be used to improve the mobility mechanisms of the system: power control and handover decisions.? New Radio Resource Management strategies have been proposed and analysed, in order to provide the system the capacity to guarantee a certain quality of service in the transmissions.