Le récepteur SAIC/MAIC introduit récemment est capable de séparer jusqu'à 2N utilisateurs synchronisés avec N antennes pour les réseaux de radiocommunications utilisant des modulations rectilignes ou quasi-rectilignes. Un tel récepteur, opérationnel dans les téléphones GSM depuis 2006, exploite la non-circularité du second ordre des signaux et met en œuvre un filtre optimal linéaire au sens large (widely linéaire WL). Il s'est montré performant pour les utilisateurs synchrones en absence de résidu de porteuse (l'effet doppler par exemple), mais son comportement en présence d'utilisateurs asynchrones ayant des résidus de porteuse potentiellement non nuls, omniprésents dans de nombreuses applications radio, n'a pas encore fait l'objet d'études théoriques, ce qui ne permet pas d'en connaître les dégradations. Le but de la 1e partie de ce travail consiste à présenter une analyse des performances du SAIC/MAIC, implanté via une approche MMSE avec séquence d'apprentissage, en présence de deux utilisateurs non nécessairement synchronisés et ayant des dérives de fréquence. Pour simplifier, nous avons limité l'analyse théorique à quelques cas particuliers avec des modulations rectilignes. Ainsi des expressions analytiques simples et interprétables ont été données et analysées. Nous avons prouvé que les performances sont moins dégradées dans le cas d'une dérive sur l'utile qu'en présence d'une dérive sur le brouilleur. En outre, la dégradation augmente avec la désynchronisation des deux signaux. Afin de préciser le domaine de validité des approximations analytiques, des illustrations numériques ont été réalisées en prenant comme paramètres ceux du standard GSM dans le but d'appliquer cette étude à ce standard et aux réseaux cellulaires. L'extension de l'analyse aux modulations quasi-rectilignes a nécessité la mise en œuvre d'un filtrage spatio-temporel. Nous avons ainsi étudié l'impact de la taille du filtre spatio-temporel sur les performances du MMSE SAIC/MAIC pour des modulations quasi-rectilignes (MSK et GMSK) en présence de résidus de porteuse. L'étude révèle qu'avec des résidus de porteuse standards, ce récepteur reste relativement robuste et ne nécessite pas de compensation. La 2e partie de ce travail considère des canaux sélectifs en fréquence et consiste à développer un SIMO MLSE pour un signal utile à modulation linéaire quelconque en présence de bruit additif gaussien centré stationnaire coloré temporellement et spatialement et potentiellement non circulaire, en partant d'un problème général de détection d'une forme d'onde. Nous avons démontré que le SIMO MLSE est constitué d'un filtre WL, d'un échantillonneur au rythme symbole et d'une minimisation récursive d'une métrique qui peut se mettre en oeuvre par l'algorithme de Viterbi. Le cas des modulations quasi rectilignes a aussi été considéré. Dans ce cadre, nous avons démontré que le SIMO MLSE a la même structure moyennant un prétraitement de dérotation. Tous ces filtres WL sont interprétés comme des filtres WL adaptés multidimensionnels (WL MMF) au sens où ils maximisent le rapport SNR sur le symbole courant en sortie. Nous avons ensuite étendu la structure du MLSE développée au cas d'un bruit gaussien non circulaire mais cyclostationnaire, de manière à se rapprocher des applications cellulaires. Nous appelons ce nouveau récepteur "pseudo-MLSE" car sa structure a été imposée. En conjecturant que les performances en probabilité d'erreur par symbole sont directement reliées au SNR sur le symbole courant, des expressions générales de celui-ci ont été données pour des MLSE et pseudo-MLSE dans le cadre d'interférences stationnaires et cyclostationnaires potentiellement non circulaires. Des formules interprétables de ces SNR ont été données dans des cas particuliers et des simulations numériques ont été présentées pour montrer les gains en performance des récepteurs introduits par rapport aux MLSE classiques dérivés sous hypothèse de bruit stationnaire circulaire / The SAIC/MAIC (Single/Multiple Antenna Interference Cancellation) receiver, recently introduced, is able to separate up to 2N synchronous users with N antennas for the radiocommunications networks using rectilinear or quasi-rectilinear modulations. A such receiver, operational in GSM handsets since 2006, exploits the second order non-circularity of signals and gives rise to an optimal widely linear (WL) filter. This receiver has been shown to be powerful for synchronous users without any frequency offsets (for example Doppler shift), but its behaviour in the presence of asynchronous users having potentially non zero carrier residues, omnipresent in many radio applications, has not yet been the subject of theoretical studies, which doesn't allow us to know their damage. For this reason, the purpose of the first part of this work is to present an analysis of SAIC/MAIC receiver performances, implemented via an MMSE approach with training sequence, with two users not necessarily synchronized with frequency shifts. To simplify the analytical developments, we limited the theoretical analysis to some particular cases with rectilinear modulations. Hence, simple and interpretable analytical expressions were given and analyzed. We proved in particular that the performance is less degraded in the case of a shift on the useful than in the presence of a drift on the jammer. Furthermore, the degradation increases with desynchronization of the two signals. To precise the range of validity of analytical approximations, numerical illustrations were made using as parameters those of the GSM standard in order to apply this study to this standard in particular and cellular networks in general. Extending the analysis to quasi-rectilinear modulations had required the implementation of a spatio-temporal filtering. We have studied the impact of the size of the spatio-temporal filter on the performance of MMSE SAIC/MAIC receiver for quasi-rectilinear modulations (GMSK and MSK) in the presence of residual frequencies. The study reveals that with standard carrier residues, this receiver remains relatively robust and doesn't require a compensation. The second part of this work considers frequency-selective channels and is developing a SIMO MLSE receiver for a useful signal with any linear modulation in the presence of an additive Gaussian centered stationary temporally and spatially colored and potentially non-circular noise, starting from a general problem of detection of a waveform. We have shown that SIMO MLSE receiver consists of a WL filter, a sampler at the symbol rate and a recursive minimization of a metric that can be solved by the Viterbi algorithm. The case of quasi-rectilinear modulations is also considered. Within this framework, we had proved that the SIMO MLSE receiver has the same structure through a postreatment derotation. All these filters are interpreted as WL multidimensional matched filters (WL MMF) in the sense that they maximize the SNR of the current symbol at output. Then, we extended the MLSE receiver structure developed in case of a noncircular gaussian noise but this time cyclostationary, so as to approximate radio cellular applications. We call this new receiver "pseudo-MLSE" because its structure was imposed. By conjecturing that the performances by per symbol error probability are directly related to the SNR of the current symbol, general expressions of this SNR are given for MLSE and pseudo MLSE receivers with stationary and cyclostationary potentially noncircular interferences. Interpretable formulas of these SNR were given in special cases and numerical simulations were presented to show performance gains of the receivers we have introduced relative to conventional MLSE receivers derived under the assumption of circular stationary noise

Le concept de radar passif aéroporté repose sur l’utilisation de plusieurs antennes réseau, disposées sur une plateforme en vue de couvrir un angle solide large de détection, en s’appuyant sur l’utilisation de signaux d’opportunité provenant d’émetteurs au sol. La détection aéroportée à partir de signaux d’opportunité est intéressante, notamment pour assurer l’autoprotection d’un avion ou d’un hélicoptère ; en revanche elle constitue un défi technique notamment en raison du niveau des signaux interférents, en provenance de l’émetteur et des trajets multiples indirects (le fouillis), bien supérieur au niveau de signal utile diffusé par la cible à détecter. D’autres effets, tels que la structure arbitraire des signaux (forme d’onde non-radar) et sa conséquence sur les lobes secondaires en distance, contribuent à la complexité du traitement à mettre en œuvre.Le point de départ des recherches se situe à l’intersection des techniques de radar passif (utilisant la corrélation entre un signal de référence non connu a priori et les signaux diffus renvoyés par l’environnement) et les techniques de type STAP (Space Time Adaptive Processing) utilisées pour la détection des cibles mobiles par les radars aéroportés conventionnels. Dans ce contexte, les travaux de thèse permettent d’étendre d’une part la caractérisation et la qualification des signaux « radar passif » à une configuration aéroportée, d’autre part les techniques STAP à une configuration bistatique et à des signaux de forme arbitraire et non structurés comme des signaux radar. Les recherches mettent en évidence l’importance primordiale du trajet direct et des premiers échos de fouillis qui parasitent la caractérisation spatio-temporelle des échos reçus dans la case distance de la cible sous test. La caractéristique du fouillis, habituellement tracée dans le plan Doppler-angle, se trouve affectée par ces interférences qu’il faut éliminer au préalable. Pour cela, un premier filtre à réponse finie est mis en œuvre sur chaque capteur, puis le traitement STAP est appliqué à l’ensemble du réseau d’antennes.Les traitements proposés sont simulés et les performances en détection sont analysées. Une expérimentation est conduite, à l’aide d’un réseau de 4 antennes mobiles au sol. Les conditions sont réunies pour collecter des signaux de fouillis étalés en Doppler et analyser l’effet d’une forme d’onde non-radar. Les traitements d’élimination des interférences sont mis en œuvre et ainsi qualifiés expérimentalement. / The novel concept for the airborne passive radar is to have multiple passive receiving arrays covering a 4 steradian angle around the platform which makes use of the ground-based stationary transmitter as the illuminator of opportunity. This challenging passive radar configuration would well find application for localized covert surveillance on an airborne platform such as an unmanned aerial vehicle, helicopter, etc. For the airborne passive radar, during moving target detections, it encounters the effects of strong interfering signal returns against the weak target returns where this severe interfering environment is usually characterized by the high levels of direct path and clutter against the thermal noise background. Due to the continuous wave, random and aperiodic nature of the passive signal and given the strong direct path and clutter signals, their random range sidelobes couplings into further range cells will seriously exacerbate the background interference, making target detections a big challenge. Moreover, owing to the platform motion, the clutter received by the airborne passive radar is not only extended in both range and angle, it is also spread over a region in Doppler frequency which further complicates the problem.This research work is focused on identifying and analyzing the critical issues faced by the airborne passive radar on moving target detections and to develop effective signal processing schemes for improved performance. As a first step, it is important to accurately derive the model for the received passive signals and consequently, efficient signal processing schemes can be studied to mitigate and to improve detections performance. The signal processing schemes for the airborne passive radar can be segregated into a two-step interference cancellation process where the direct path and strong clutter coupling components (and their corresponding random range sidelobes) present in the received signal at each antenna element can first be effectively suppressed by the adaptive interference cancellation algorithm prior to matched filter processing. Further cancellation on the residual random range sidelobes couplings and on the spatial-Doppler dependent clutter can be achieved using reduced-dimension STAP. Trials based on the ground-based moving passive radar experiments are conducted as the final part of this research work to validate and evaluate the signal processing schemes which is a major progress towards implementing an operational airborne passive radar.

L’optimisation des communications par satellite devient un enjeu crucial pour fournir un accèsInternet aux zones blanches et/ou défavorisées et pour supporter des réseaux à grande échelle.Dans ce contexte, l’utilisation des techniques d’accès aléatoires sur le lien retour permetd’améliorer les performances de ces systèmes. Cependant, les techniques d’accès aléatoireclassiques comme ‘Aloha’ et ‘Slotted Aloha’ ne sont pas optimales pour la transmission dedonnées sur le lien retour. En effet, ces techniques présentent un taux élevé de pertes depaquets suite aux collisions. Par conséquent, des études récentes ont proposé de nouvellesméthodes d’accès aléatoire pour résoudre les collisions entre les paquets et ainsi, améliorerles performances. En particulier, ces méthodes se basent sur la redondance de l’informationet l’annulation successive des interférences. Dans ces systèmes, l’estimation de canal sur le lien retour est un problème difficile en raison du haut niveau de collisions de paquets. Dans une première contribution dans cette thèse, nous décrivons une technique améliorée d’estimation de canal pour les paquets en collision. Par ailleurs, nous analysons l’impact des erreurs résiduelles d’estimation de canal sur la performance des annulations successives des interférences. Même si les résultats obtenus sont encore légèrement inférieurs au cas de connaissance parfaite du canal, on observe une amélioration significative des performances par rapport aux algorithmes d’estimation de canal existants. Une autre contribution de cette thèse présente une méthode appelée ‘Multi-Replica Decoding using Correlation based Localisation’ (MARSALA). Celle-ci est une nouvelle technique de décodage pour la méthode d’accès aléatoire synchrone ‘Contention Résolution diversité Slotted Aloha’ (CRDSA), qui est basée sur les principe de réplication de paquets et d’annulation successive des interférences. Comparée aux méthodes d’accès aléatoire traditionnelles, CRDSA permet d’améliorer considérablement les performances. Toutefois, le débit offert par CRDSA peut être limité à cause des fortes collisions de paquets. L’utilisation deMARSALA par le récepteur permet d’améliorer les résultats en appliquant des techniques de corrélation temporelles pour localiser et combiner les répliques d’un paquet donné. Cette procédure aboutit à des gains en termes de débit et de taux d’erreurs paquets. Néanmoins, le gain offert par MARSALAest fortement dépendant de la synchronisation en temps et en phase des répliques d’un mêmepaquet. Dans cette thèse, nous détaillons le fonctionnement de MARSALA afin de corriger ladésynchronisation en temps et en phase entre les répliques. De plus, nous évaluons l’impactde la combinaison imparfaite des répliques sur les performances, en fournissant un modèle analytique ainsi que des résultats de simulation. En outre, plusieurs schémas d’optimisationde MARSALA sont proposés tels que le principe du ‘MaximumRatio Combining’, ou la transmissiondes paquets à des puissances différentes. Utilisées conjointement, ces différentespropositions permettent d’obtenir une amélioration très significative des performances. Enfin,nous montrons qu’en choisissant la configuration optimale pour MARSALA, le gain deperformance est considérablement amélioré. / With the need to provide the Internet access to deprived areas and to cope with constantlyenlarging satellite networks, enhancing satellite communications becomes a crucial challenge.In this context, the use of Random Access (RA) techniques combined with dedicated accesson the satellite return link, can improve the system performance. However conventionalRA techniques like Aloha and Slotted Aloha suffer from a high packet loss rate caused bydestructive packet collisions. For this reason, those techniques are not well-suited for datatransmission in satellite communications. Therefore, researchers have been studying andproposing new RA techniques that can cope with packet collisions and decrease the packet lossratio. In particular, recent RA techniques involving information redundancy and successiveinterference cancellation, have shown some promising performance gains.With such methods that can function in high load regimes and resolve packets with high collisions,channel estimation is not an evident task. As a first contribution in this dissertation, wedescribe an improved channel estimation scheme for packets in collision in new RAmethodsin satellite communications. And we analyse the impact of residual channel estimation errorson the performance of interference cancellation. The results obtained show a performancedegradation compared to the perfect channel knowledge case, but provide a performanceenhancement compared to existing channel estimation algorithms. Another contribution of this thesis is presenting a method called Multi-Replica Decoding using Correlation based Localisation (MARSALA). MARSALA is a new decoding technique for a recent synchronous RAmethod called Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA). Based on packets replication and successive interference cancellation, CRDSA enables to significantly enhance the performance of legacy RA techniques. However, if CRDSA is unable to resolve additional packets due to high levels of collision, MARSALA is applied. At the receiver side, MARSALA takes advantage of correlation procedures to localise the replicas of a given packet, then combines the replicas in order to obtain a better Signal to Noise plus Interference Ratio. Nevertheless, the performance ofMARSALA is highly dependent on replicas synchronisation in timing and phase, otherwise replicas combination would not be constructive. In this dissertation, we describe an overall framework ofMARSALA including replicas timing and phase estimation and compensation, then channel estimation for theresulting signal. This dissertation also provides an analytical model for the performancedegradation of MARSALA due to imperfect replicas combination and channel estimation.In addition, several enhancement schemes forMARSALA are proposed likeMaximum RatioCombining, packets power unbalance, and various coding schemes. Finally, we show thatby choosing the optimal design configuration for MARSALA, the performance gain can besignificantly enhanced.

Code Division Multiple Access (CDMA) is the technology used in all third generation cellular communications networks, and it is a promising candidate for the definition of fourth generation standards. The wireless mobile channel is usually frequency-selective causing interference among the users in one CDMA cell. Multiuser Transmission (MUT) algorithms for the downlink can increase the number of supportable users per cell, or decrease the necessary transmit power to guarantee a certain quality-of-service. Transmitter-based algorithms exploiting the channel knowledge in the transmitter are also motivated by information theoretic results like the Writing-on-Dirty-Paper theorem. The signal-to-noise ratio (SNR) is a reasonable performance criterion for noise-dominated scenarios. Using linear filters in the transmitter and the receiver, the SNR can be maximized with the proposed Eigenprecoder. Using multiple transmit and receive antennas, the performance can be significantly improved. The Generalized Selection Combining (GSC) MIMO Eigenprecoder concept enables reduced complexity transceivers. Methods eliminating the interference completely or minimizing the mean squared error exist for both the transmitter and the receiver. The maximum likelihood sequence detector in the receiver minimizes the bit error rate (BER), but it has no direct transmitter counterpart. The proposed Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimizes the BER at the detectors by transmit signal processing. This nonlinear approach uses the knowledge of the transmit data symbols and the wireless channel to calculate a transmit signal optimizing the BER with a transmit power constraint by nonlinear optimization methods like sequential quadratic programming (SQP). The performance of linear and nonlinear MUT algorithms with linear receivers is compared at the example of the TD-SCDMA standard. The interference problem can be solved with all MUT algorithms, but the TxMinBer approach requires less transmit power to support a certain number of users. The high computational complexity of MUT algorithms is also an important issue for their practical real-time application. The exploitation of structural properties of the system matrix reduces the complexity of the linear MUT mthods significantly. Several efficient methods to invert the ystem matrix are shown and compared. Proposals to reduce the omplexity of the Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission mehod are made, including a method avoiding the constraint by pase-only optimization. The complexity of the nonlinear methods i still some magnitudes higher than that of the linear MUT lgorithms, but further research on this topic and the increasing processing power of integrated circuits will eventually allow to exploit their better performance. / Der codegeteilte Mehrfachzugriff (CDMA) wird bei allen zellularen Mobilfunksystemen der dritten Generation verwendet und ist ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Technologien. Die Netzkapazität, also die Anzahl der Nutzer je Funkzelle, ist durch auftretende Interferenzen zwischen den Nutzern begrenzt. Für die Aufwärtsstrecke von den mobilen Endgeräten zur Basisstation können die Interferenzen durch Verfahren der Mehrnutzerdetektion im Empfänger verringert werden. Für die Abwärtsstrecke, die höhere Datenraten bei Multimedia-Anwendungen transportiert, kann das Sendesignal im Sender so vorverzerrt werden, dass der Einfluß der Interferenzen minimiert wird. Die informationstheoretische Motivation liefert dazu das Writing-on-Dirty-Paper Theorem. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist ein geeignetes Kriterium für die Performanz in rauschdominierten Szenarien. Mit Sende- und Empfangsfiltern kann das SNR durch den vorgeschlagenen Eigenprecoder maximiert werden. Durch den Einsatz von Mehrfachantennen im Sender und Empfänger kann die Performanz signifikant erhöht werden. Mit dem Generalized Selection MIMO Eigenprecoder können Transceiver mit reduzierter Komplexität ermöglicht werden. Sowohl für den Empfänger als auch für den Sender existieren Methoden, die Interferenzen vollständig zu eliminieren, oder den mittleren quadratischen Fehler zu minimieren. Der Maximum-Likelihood-Empfänger minimiert die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER), hat jedoch kein entsprechendes Gegenstück im Sender. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimiert die BER am Detektor durch Sendesignalverarbeitung. Dieses nichtlineare Verfahren nutzt die Kenntnis der Datensymbole und des Mobilfunkkanals, um ein Sendesignal zu generieren, dass die BER unter Berücksichtigung einer Sendeleistungsnebenbedingung minimiert. Dabei werden nichtlineare Optimierungsverfahren wie Sequentielle Quadratische Programmierung (SQP) verwendet. Die Performanz linearer und nichtlinearer MUT-Verfahren MUT-Algorithmen mit linearen Empfängern wird am Beispiel des TD-SCDMA-Standards verglichen. Das Problem der Interferenzen kann mit allen untersuchten Verfahren gelöst werden, die TxMinBer-Methode benötigt jedoch die geringste Sendeleistung, um eine bestimmt Anzahl von Nutzern zu unterstützen. Die hohe Rechenkomplexität der MUT-Algorithmen ist ein wichtiges Problem bei der Implementierung in Real-Zeit-Systemen. Durch die Ausnutzung von Struktureigenschaften der Systemmatrizen kann die Komplexität der linearen MUT-Verfahren signifikant reduziert werden. Verschiedene Verfahren zur Invertierung der Systemmatrizen werden aufgezeigt und verglichen. Es werden Vorschläge gemacht, die Komplexität der Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission zu reduzieren, u.a. durch Vermeidung der Sendeleistungsnebenbedingung durch eine Beschränkung der Optimierung auf die Phasen des Sendesignalvektors. Die Komplexität der nichtlinearen Methoden ist um einige Größenordungen höher als die der linearen Verfahren. Weitere Forschungsanstrengungen an diesem Thema sowie die wachsende Rechenleistung von integrierten Halbleitern werden künftig die Ausnutzung der besseren Leistungsfähigkeit der nichtlinearen MUT-Verfahren erlauben.

Τα ασύρματα συστήματα πολλαπλών κεραιών MIMO αποτελούν ένα από τα βασικά μέτωπα ανάπτυξης των τηλεπικοινωνιών. Ωστόσο η εξαιρετικά τυχαία φύση τους καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ των πολλαπλών ροών δεδομένων επιβάλει την χρήση σύγχρονων τεχνικών ισοστάθμισης. Η προσαρμοστική ισοστάθμιση στο δέκτη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση της δυναμικής φύσης του ασύρματου καναλιού και την ανίχνευση των αλλαγών στα χαρακτηριστικά του. Επίσης, μη γραμμικές τεχνικές ισοστάθμισης ανατροφοδότησης συμβόλων είναι απαραίτητες για την απομάκρυνση της διασυμβολικής παρεμβολής που παρουσιάζεται στα συγκεκριμένα συστήματα. Η παρούσα εργασία ασχολείται με μεθόδους προσαρμοστικής ισοστάθμισης στο δέκτη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις προσαρμοστικών αλγορίθμων για την ελαχιστοποίηση του σφάλματος, του αλγορίθμου Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων (RLS), του επαναληπτικού αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων (CG) και του επαναληπτικού αλγορίθμου τροποποιημένων Συζυγών Κλίσεων (MCG). Όπως διαπιστώνουμε, όταν οι παραπάνω αλγόριθμοι χρησιμοποιηθούν με γραμμικές τεχνικές ισοστάθμισης έχουμε πολύ αργή σύγκλιση και γενικά υψηλό όριο σφάλματος. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι, προκειμένου να έχουμε γρήγορη σύγκλιση των προσαρμοστικών αλγορίθμων και αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής για τα συστήματα MIMO, είναι απαραίτητη η χρήση μη γραμμικών τεχνικών ισοστάθμισης. Αρχικά χρησιμοποιούμε την μέθοδο της γενικευμένης ανατροφοδότησης συμβόλων GDFE ενώ στη συνέχεια μελετάμε μία σύγχρονη τεχνική ανατροφοδότησης συμβόλων που χρησιμοποιεί ένα κριτήριο διάταξης για την ακύρωση των συμβόλων (OSIC ή V-BLAST). Όπως διαπιστώνεται και από τις εξομοιώσεις η συγκεκριμένη τεχνική επιτυγχάνει το χαμηλότερο όριο σφάλματος, αλλά με αυξημένο υπολογιστικό κόστος. Επίσης, διαπιστώνουμε ότι η εφαρμογή της τεχνικής αυτής με χρήση του τροποποιημένου αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων δεν είναι εφικτή. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, περιγράφουμε μια συγκεκριμένη υλοποίηση της τεχνικής διατεταγμένης ακύρωσης που κάνει χρήση του αλγορίθμου Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων με μειωμένη πολυπλοκότητα. Στη συνέχεια γενικεύουμε την εφαρμογή της για την περίπτωση των αλγορίθμων Συζυγών Κλίσεων, και διαπιστώνουμε ότι ο τροποποιημένος αλγόριθμος Συζυγών Κλίσεων δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ούτε σε αυτήν την περίπτωση. Για την υλοποίηση ενός συστήματος OSIC με χρήση του αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων είναι απαραίτητη η χρήση ενός αλγορίθμου που δεν έχει χρονική εξάρτηση σύγκλισης, όπως είναι ο βασικός αλγόριθμος Συζυγών Κλίσεων. / Wireless systems with multiple antenna configurations has recently emerged as one of the most significant technical breaktroughs in modern communications. However, because of the extremly random nature of the wireless channels, we have to use modern equalization methods in order to defeat the signal degradation. Adaptive equalization at the receiver of the telecommunication system can be used to compete this dynamic nature of the wireless channel and track the changes of its characteristics. Furthermore, nonlinear decision feedback methods are nessesary for the cancellation of the intersymbol interference which occurs with these systems. This work involves with adaptive equalization methods at the receiver of the telecommunication system. We use the following adaptive algorithms so as to minimize the error : the Recursive Least Squares algorithm (RLS), the iterative Conjugate Gradient algorithm (CG) and the iterative Modified Conjugate Gradient algorithm (MCG). When these algorithms are used with linear methods, they give very slow converge and high final error. So, it is neccessary to use nonlinear equalization methods in order to succeed fast converge rate and deal with the increazed intersymbol interference for MIMO systems. Firstly we use the generalized decision feedback method (GDFE), and then the modern method of ordered successive cancellation method (OSIC or V-BLAST). Based on the emulations we conclude that the last method succeed the lower error, but with high computational cost. Furthermore, we can't use OSIC method with Modified Conjugate Gradient algorithm. In this work, we describe a specific implementation of the OSIC method which uses RLS algorithm with low computational complexity. So we generalize its usage with the Conjugate Gradient algorithms. Finaly, we conclude that we can't also use MCG with OSIC method with low computational complexity. In order to construct an OSIC system based on Conjugate Gradient algorithm, the algorithm must not operate on time basis, like basic Conjugate Gradient algorithm does.

Le récepteur SAIC/MAIC introduit récemment est capable de séparer jusqu'à 2N utilisateurs synchronisés avec N antennes pour les réseaux de radiocommunications utilisant des modulations rectilignes ou quasi-rectilignes. Un tel récepteur, opérationnel dans les téléphones GSM depuis 2006, exploite la non-circularité du second ordre des signaux et met en œuvre un filtre optimal linéaire au sens large (widely linéaire WL). Il s'est montré performant pour les utilisateurs synchrones en absence de résidu de porteuse (l'effet doppler par exemple), mais son comportement en présence d'utilisateurs asynchrones ayant des résidus de porteuse potentiellement non nuls, omniprésents dans de nombreuses applications radio, n'a pas encore fait l'objet d'études théoriques, ce qui ne permet pas d'en connaître les dégradations. Le but de la 1e partie de ce travail consiste à présenter une analyse des performances du SAIC/MAIC, implanté via une approche MMSE avec séquence d'apprentissage, en présence de deux utilisateurs non nécessairement synchronisés et ayant des dérives de fréquence. Pour simplifier, nous avons limité l'analyse théorique à quelques cas particuliers avec des modulations rectilignes. Ainsi des expressions analytiques simples et interprétables ont été données et analysées. Nous avons prouvé que les performances sont moins dégradées dans le cas d'une dérive sur l'utile qu'en présence d'une dérive sur le brouilleur. En outre, la dégradation augmente avec la désynchronisation des deux signaux. Afin de préciser le domaine de validité des approximations analytiques, des illustrations numériques ont été réalisées en prenant comme paramètres ceux du standard GSM dans le but d'appliquer cette étude à ce standard et aux réseaux cellulaires. L'extension de l'analyse aux modulations quasi-rectilignes a nécessité la mise en œuvre d'un filtrage spatio-temporel. Nous avons ainsi étudié l'impact de la taille du filtre spatio-temporel sur les performances du MMSE SAIC/MAIC pour des modulations quasi-rectilignes (MSK et GMSK) en présence de résidus de porteuse. L'étude révèle qu'avec des résidus de porteuse standards, ce récepteur reste relativement robuste et ne nécessite pas de compensation. La 2e partie de ce travail considère des canaux sélectifs en fréquence et consiste à développer un SIMO MLSE pour un signal utile à modulation linéaire quelconque en présence de bruit additif gaussien centré stationnaire coloré temporellement et spatialement et potentiellement non circulaire, en partant d'un problème général de détection d'une forme d'onde. Nous avons démontré que le SIMO MLSE est constitué d'un filtre WL, d'un échantillonneur au rythme symbole et d'une minimisation récursive d'une métrique qui peut se mettre en oeuvre par l'algorithme de Viterbi. Le cas des modulations quasi rectilignes a aussi été considéré. Dans ce cadre, nous avons démontré que le SIMO MLSE a la même structure moyennant un prétraitement de dérotation. Tous ces filtres WL sont interprétés comme des filtres WL adaptés multidimensionnels (WL MMF) au sens où ils maximisent le rapport SNR sur le symbole courant en sortie. Nous avons ensuite étendu la structure du MLSE développée au cas d'un bruit gaussien non circulaire mais cyclostationnaire, de manière à se rapprocher des applications cellulaires. Nous appelons ce nouveau récepteur "pseudo-MLSE" car sa structure a été imposée. En conjecturant que les performances en probabilité d'erreur par symbole sont directement reliées au SNR sur le symbole courant, des expressions générales de celui-ci ont été données pour des MLSE et pseudo-MLSE dans le cadre d'interférences stationnaires et cyclostationnaires potentiellement non circulaires. Des formules interprétables de ces SNR ont été données dans des cas particuliers et des simulations numériques ont été présentées pour montrer les gains en performance des récepteurs introduits par rapport aux MLSE classiques dérivés sous hypothèse de bruit stationnaire circulaire

[pt] Esta tese apresenta novas estruturas e algoritmos para detecção multiusuário e supressão de interferência em sistemas DS-CDMA. São investigadas estruturas baseadas em redes neurais recorrentes para projeto de receptores com decisão realimentada e desenvolvidos algoritmos adaptativos para combater a interferência de múltiplo acesso e a interferência entre símbolos. Novos algoritmos baseados na minimização da taxa de erro de bits são examinados e generalizados para esquemas de detecção com cancelamento de interferência. Para situações onde uma seqüência de treinamento não é disponibilizada, é considerado um novo critério de projeto às cegas de receptores com restrições lineares baseado na função custo módulo constante. Algoritmos adaptativos às cegas baseados neste novo critério são usados para estimar os parâmetros de um receptor linear e do canal de comunicações. São também desenvolvidos novos mecanismos às cegas de ajuste do passo para algoritmos do tipo gradiente estocástico em receptores lineares com base no critério de mínima variância com restrições. Com base nos critérios de mínima variância e módulo constante com restrições, são desenvolvidos critérios de projeto às cegas para receptores com decisão realimentada e propostos algoritmos adaptativos para essas estruturas. Um novo esquema de cancelamento sucessivo de interferência baseado no conceito de arbitragem é proposto e incorporado a uma estrutura de recepção com decisão realimentada para o enlace reverso. Em seguida, o novo esquema de cancelamento de interferência é combinado com uma estrutura iterativa que emprega múltiplos estágios, resultando em melhores estimativas do receptor e um desempenho uniforme para os usuários. Finalmente, são apresentadas novas estruturas de recepção com posto reduzido, baseadas em filtros FIR interpolados e interpoladores variantes no tempo, e desenvolvidos algoritmos adaptativos às cegas e supervisionados para o novo esquema. / [en] This thesis presents new structures and algorithms for multiuser detection and interference suppression in DS-CDMA systems. Structures based on recurrent neural networks are investigated for decision feedback receivers and adaptive algorithms are developed for combatting multiple access interference and intersymbol interference. New algorithms based on the minimization of the bit error rate are examined and generalized for detection schemes with interference cancellation. For situations where a training sequence is not available, a new blind criterion, based on the constant modulus cost function with linear constraints is considered. Based on this novel criterion, blind adaptive algorithms are used for estimating the parameters of linear receivers and the channel. New blind adaptive mechanisms for adjusting the step size of stochastic gradient algorithms, using the constrained minimum variance criterion, are also presented for estimating the parameters of linear receivers and the channel. Based on constrained minimum variance and constrained constant modulus criteria, the blind design of decision feedback structures is considered and blind adaptive algorithms are derived. A new successive interference cancellation scheme using the concept of arbitration is proposed and incorporated within a decision feedback structure for uplink scenarios. Then, the new interference cancellation scheme is combined with an iterative structure that employs multiple stages, resulting in improved receiver estimates and providing uniform performance over the users. Finally, novel reduced-rank receiver structures, based on interpolated FIR filters with time-varying interpolators, are presented and blind and supervised adaptive algorithms are developed for this new scheme.

Le medium sans fil est une ressource partagée et limitée. Les normes sans fil actuelles partagent toujours le principe de partage du medium Half-Duplex: la transmission et la réception de signaux sont effectuées dans deux intervalles de temps distincts ou deux bandes de fréquences différentes. En outre, l'émetteur-récepteur ne peut émettre et recevoir qu’un signal à la fois. Cette thèse suit une autre approche: au lieu de partager le support avec le principe de Half-Duplex, toute la bande de fréquence autorisée est partagé pour la transmission et la réception simultanée, approche qui est appelée Full-Duplex. Dès lors, on peut concevoir une architecture d'un émetteur-récepteur radio flexible à large bande pour traiter deux types de signaux différents à la fois. Pour approcher cet objectif, nous utilisons une méthode de suppression active analogique de l’auto-interférence (AARFSIC) et l'annulation active numérique d'auto interférence dans le domaine temporel (ADSICT) pour annuler la forte auto-interférence (SI) induite par le principe Full-Duplex. Basé sur la radio Full-Duplex, nous proposons un système flexible Dual-Band (FDDB) émetteur-récepteur radio OFDM-Full Duplex en la combinant avec un front-end RF double bande. S'appuyant sur ces principes, nous exposons trois contributions principales: Nous présentons une technique d’annulation analogique de l’auto-interférence (ASIC), qui peut annuler complètement l’auto-interférence à trajet direct ou multi-trajets, basée sur la combinaison des méthodes AARFSIC et DSICT. Ensuite, nous présentons la conception et l'évaluation d'une radio OFDM Full-Duplex, y compris l'analyse et la qualification de l'impact du bruit thermique et du bruit de phase sur les performances du système. Enfin, nous développons une radio dual-bande FDDB OFDM qui peut fonctionner sur deux fragments de spectre séparés. Afin d'éliminer l'impact du déséquilibre I/Q sur la radio FDDB, une méthode d’estimation des déséquilibres I/Q et de compensation, simple mais efficace, est présentée. La simulation au niveau système menée avec ADS et Matlab montre que cette méthode peut effectivement compenser des déséquilibres I/Q aussi bien élevés que faibles. / The wireless medium is a shared and limited resource. Current wireless standards always share the medium with Half-Duplex principle: the transmission and reception of signals are done in two separate time slots or two different frequency bands. Besides, the transceiver can only transmit and receive one signal at a time. This dissertation takes an alternate approach: Instead of sharing the medium with Half-Duplex principle, the entire licensed frequency band is shared for simultaneous transmission and reception, which we call Full-Duplex. Besides, the design concept for a wideband flexible radio transceiver can process two different types of signals at a time. To approach this goal, we use an active analog radio frequency self-interference cancellation (AARFSIC) method or a combination scheme of the AARFSIC and active digital self interference cancellation in time domain (ADSICT) to cancel the strong self-interference (SI) induced by the Full-Duplex principle. Based on the Full-Duplex radio, we propose a flexible Full-Duplex Dual-Band (FDDB) OFDM radio transceiver by combining it with a Dual-Band RF front-end. Building on these, we make three main contributions: We present an active self-interference cancellation (ASIC) scheme, which can cancel both the strong one-path and multi-path SI completely, based on the combination of the AARFSIC and DSICT. Next, we introduce the design and evaluation of a Full-Duplex OFDM radio, including the analysis and qualification of the impact of the thermal noise and phase noise on the system performance. Finally, we develop a FDDB OFDM radio that can work on two separate spectrum fragments. In order to eliminate the impact of the I/Q imbalance on the FDDB radio, a simple but practical digital I/Q imbalance estimation and compensation method is presented. The system level simulation conducted with ADS and Matlab software shows that this method can effectively compensate both high and low I/Q imbalance.

Abstract This thesis concentrates on joint optimization of transmit power allocation and receive filtering in multiuser, multi-antenna communications. Due to the increasing number of wireless devices, the design of energy-efficient communication links is becoming increasingly important. In cellular mobile communications, reducing the average power consumption in uplink transmission is beneficial for users in order to extend battery life and, hence, energy efficiency in general. However, the power consumption of the high power amplifier (HPA) at the transmitter depends on the peak power of the transmission. This thesis focuses on power allocation problems for single-carrier (SC) frequency division multiple access (FDMA) and orthogonal FDMA (OFDMA) transmission assuming iterative reception. The goal in the first scheme presented in this thesis is to reduce the average power consumption by designing a power allocation method that takes into account the convergence properties of an iterative receiver in multiuser uplink communications. The proposed scheme can guarantee that the desired quality of service (QoS) is achieved after a sufficient number of iterations. Reducing the peak-to-average power ratio (PAPR) in any transmission system is beneficial because it allows the use of inexpensive, energy-efficient power amplifiers. The goal in the second scheme presented in this thesis is to control the PAPR of the transmitted signal. Hence, in addition to the QoS constraint, the instantaneous PAPR constraint is derived for SC-FDMA and OFDMA transmission. Moreover, a statistical approach is considered in which the power variance of the transmitted waveform is controlled. The QoS and PAPR constraints are considered jointly and, therefore, the proposed power allocation strategy jointly takes into account the channel quality and the PAPR characteristics of the power amplifier. However, the PAPR constraint can be adopted to any SC-FDMA or OFDMA framework and it is not restricted to the scheme presented in this thesis. The objective of the optimization problems considered throughout the thesis is to minimize the sum power. The majority of the derived constraints are non-convex and therefore, two alternative successive convex approximations (SCAs) are derived for all the non-convex constraints considered. The numerical results show that the proposed power allocation strategies can significantly reduce the average transmission power of users while allowing flexible PAPR control. Hence, the proposed methods can be used to extend battery life for users and especially improve the QoS at the cell edges. / Tiivistelmä Väitöskirjassa tutkitaan lähettimessä tapahtuvan tehoallokoinnin sekä vastaanottimessa tapahtuvan signaalin suodatuksen yhteisoptimointia monikäyttöön suunnatussa langattomassa moniantennikommunikaatiossa. Langattomien laitteiden lukumäärän kasvaessa energiatehokkuuden merkitys tiedonsiirtolinkkien suunnittelussa korostuu. Soluihin perustuvassa langattomassa tietoliikenteessä keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen ylälinkkilähetyksessä (käyttäjältä tukiasemaan) on tärkeää käyttäjän kannalta, sillä se pidentää laitteen akun kestoa. Lähettimen tehovahvistimen (high power amplifier (HPA)) tehonkulutus on kuitenkin verrannollinen lähetyksen huipputehoon. Väitöskirjassa luodaaan uusia menetelmiä sekä vertaillaan tehoallokointia yhden kantoaallon taajuustason monikäyttöön (single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA)) ja ortogonaalisen taajuustason monikäyttöön (orthogonal FDMA (OFDMA)) perustuvissa lähetysteknologioissa. Työn ensimmäisessä osiossa tavoitteena on keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen monen käyttäjän ylälinkkikommunikaatiossa suunnittelemalla tehoallokointimenetelmä, joka ottaa huomioon iteratiivisen vastaanottimen konvergenssiominaisuudet. Työssä ehdotettu menetelmä takaa vastaanotetun informaation halutun laadun (quality of service (QoS)) riittävän monen vastaanottimessa tehdyn iteraation jälkeen. Huipputehon ja keskitehon suhteen (peak to average power ratio (PAPR)) pienentäminen missä tahansa lähetyksessä on hyödyllistä, sillä sen ansiosta voidaan käyttää energiatehokkaampia ja halvempia tehovahvistimia. Työn jälkimmäisessä osiossa tavoitteena on kontrolloida lähetetyn signaalin huipputehon ja keskitehon suhdetta. Työn ensimmäisessä osiossa esitetyn QoS-rajoitteen lisäksi tehoallokointia rajoitetaan symbolisekvenssikohtaisella PAPR-rajoitteella SCFDMA- ja OFDMA-lähetyksessä. Lisäksi esitetään tilastollinen menetelmä, jossa rajoitetaan lähetetyn signaalin tehon varianssia. Kun käytetään yhtäaikaisesti QoS- ja PAPR-rajoitteita, voidaan tiedonsiirtokanavaan suunnitella optimaalinen tehoallokointi ottaen huomioon tehovahvistimen epälineaarisuudet. Työssä esitetty PAPR-rajoite on kuitenkin geneerinen, ja se voidaan sovittaa mihin tahansa SCFDMA- tai OFDMA- optimointikehykseen. Työssä esitettävien optimointiongelmien tavoitteena on käyttäjien summatehon minimointi. Suurin osa työssä esiintyvistä ongelmista on ei-konvekseja, joten siinä esitetään kaksi vaihtoehtoista peräkkäinen konveksi approksimaatio (successive convex approximation (SCA)) -menetelmää kaikille ei-konvekseille rajoitteille. Numeeriset tulokset osoittavat, että esitetyt tehoallokointimenetelmät pienentävät merkittävästi keskimääräistä tehonkulutusta mahdollistaen lisäksi adaptiivisen PAPR-kontrolloinnin. Väitöskirjassa esitettyjen menetelmien avulla voidaan pidentää mobiilikäyttäjien akun kestoa sekä erityisesti parantaa solun reunakäyttäjien palvelun laatua.

WCDMA is typically characterised as a system capable of providing mobile users with data rates up to 2 Mb/s and beyond. It has been termed an ultra high-speed, ultra high-capacity radio technology that will be able to carry a new range of fast, colourful media, such as colour graphics, video, animations, digital audio, Internet and e-mail that consumers will be able to access over their mobiles devices. This current study has researched on the various existing Multiuser detection (MUD) processes or proposals conducted by various research institutions around the world. It has identified the advantages that the past work offers, and it is these advantages that form the basis of the current research into the improvement techniques. The proposed Partial Parallel Pipelined Multiuser Detector (PPPMUD or P3MUD) has come about from two main flavours or directions of research. The first one seeks to promote the Soft Parallel Interference Cancellation technique as an effective bias mitigation technique. This bias occurring in the second stage decision statistics, exhibits a very harmful effect on system Bit Error Rate, (BER), particularly for large system loads. This current study goes further by carefully analysing the Soft Cancellation Factor, SCF behaviour to eventually derive and determine the optimum SCF value which exhibits positive characteristics when varied with the increasing system load (number of users). This optimum SCF value is called the universal SCF or SCFUNV, as it is theoretically supposed to perform favourably under various system loads. A favourable or acceptable performance would be characterised by low observed or measured BER during the system processing stages. A further enhancement to the operational performance of the SCFUNV algorithm is the SCFUNV Compensator, which is basically a compensation mechanism created by modelling the behaviour of the SCF values, and adjusts the SCFUNV depending on the system load, (number of simultaneous users). Thus, the SCFUNV is adaptively adjusted in order to perform acceptably under all load conditions. The second direction of research, as regards improvements in MUD techniques, involves the conventional Bit-Streaming, Pipelined Multiuser Detector. This came about due to the computational complexity as well as matrix inversions which affected earlier asynchronous multiuser detection techniques. This detector has a pipelined architecture which avoids multishot (block-based) detection and instead, processes the bits in a streaming fashion. The architecture consists of a matched filter followed by three stages of parallel interference cancellation, (PIC). This present study extends that research by outlining the advantages of incorporating the soft parallel interference cancellation technique, by way of the universal soft cancellation factor, (SCFUNV), into the conventional pipelined multiuser detector architecture to form the P3MUD architecture, which includes the compensator. The contributions of the proposed P3MUD system is that the observed BER output simulations are promising, with an observed overall decrease in the error rate for the P3MUD process, as compared to the conventional pipelined detection method. This decrease signifies an improvement offered by the proposed (P3MUD) algorithm. Further observed analysis indicates the possibility of decreasing the number of parallel interference cancellation stages from three to at least two, after the matched filter detection stage, without an observable change in system BER. Hence, the proposal of the two-stage P3MUD. / Dissertation (MEng (Electronic))--University of Pretoria, 2006. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted