Peak to average power ratio reduction and error control in MIMO-OFDM HARQ System

Sandoval Noreña, Francisco Alberto (2019). Peak to average power ratio reduction and error control in MIMO-OFDM HARQ System. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Currently, multiple-input multiple-output orthogonal frequency division multiplexing (MIMOOFDM) systems underlie crucial wireless communication systems such as commercial 4G and 5G networks, tactical communication, and interoperable Public Safety communications. However, one drawback arising from OFDM modulation is its resulting high peak-to-average power ratio (PAPR). This problem increases with an increase in the number of transmit antennas.

In this work, a new hybrid PAPR reduction technique is proposed for space-time block coding (STBC) MIMO-OFDM systems that combine the coding capabilities to PAPR reduction methods, while leveraging the new degree of freedom provided by the presence of multiple transmit chairs (MIMO).

In the first part, we presented an extensive literature review of PAPR reduction techniques for OFDM and MIMO-OFDM systems. The work developed a PAPR reduction technique taxonomy, and analyzed the motivations for reducing the PAPR in current communication systems, emphasizing two important motivations such as power savings and coverage gain. In the tax onomy presented here, we include a new category, namely, hybrid techniques. Additionally, we drew a conclusion regarding the importance of hybrid PAPR reduction techniques.

In the second part, we studied the effect of forward error correction (FEC) codes on the PAPR for the coded OFDM (COFDM) system. We simulated and compared the CCDF of the PAPR and its relationship with the autocorrelation of the COFDM signal before the inverse fast Fourier transform (IFFT) block. This allows to conclude on the main characteristics of the codes that generate high peaks in the COFDM signal, and therefore, the optimal parameters in order to reduce PAPR. We emphasize our study in FEC codes as linear block codes, and convolutional codes.

Finally, we proposed a new hybrid PAPR reduction technique for an STBC MIMO-OFDM system, in which the convolutional code is optimized to avoid PAPR degradation, which also combines successive suboptimal cross-antenna rotation and inversion (SS-CARI) and iterative modified companding and filtering schemes. The new method permits to obtain a significant net gain for the system, i.e., considerable PAPR reduction, bit error rate (BER) gain as compared to the basic MIMO-OFDM system, low complexity, and reduced spectral splatter. The new hybrid technique was extensively evaluated by simulation, and the complementary cumulative distribution function (CCDF), the BER, and the power spectral density (PSD) were compared to the original STBC MIMO-OFDM signal.

Titre traduit

Réduction du rapport de puissance crête à moyenne et contrôle des erreurs dans le système HARQ MIMO-OFDM

Résumé traduit

Actuellement, les systèmes MIMO-OFDM constituent la base d’importants systèmes de communication sans fil tels que les réseaux commerciaux 4G et 5G, les communications tactiques et les communications interopérables pour la sécurité publique. Cependant, un inconvénient de la modulation OFDM est le haut rapport puissance crête à puissance moyenne (PAPR). Ce problème augmente lorsque le nombre d’antennes d’émission augmente.

Ce travail consiste à proposer une nouvelle technique de réduction de PAPR hybride pour les systèmes MIMO-OFDM de codage de bloc espace-temps (STBC). Cette technique combine les capacités de codage aux méthodes de réduction des PAPR tout en exploitant le nouveau degré de liberté offert par la présence de plusieurs chaînes de transmission (MIMO).

Dans la première partie, nous présentons une revue de littérature approfondie des techniques de réduction de PAPR pour les systèmes OFDM et MIMO-OFDM. Ces travaux ont permis de mettre au point une taxonomie de technique de réduction de PAPR, d’analyser les motivations de réduction de PAPR dans les systèmes de communication actuels tenant compte du gain de couverture, de comparer par simulation les caractéristiques de chaque catégorie et conclure par l’importance des techniques de réduction de PAPR hybride.

Dans la deuxième partie, nous étudions l’effet des codes de correction d’erreurs en aval (FEC), tels que les codes de bloc linéaires et les codes de convolution sur le PAPR du système OFDM codé (COFDM). Nous avons simulé et comparé la fonction de distribution cumulative complémentaire (FDCC) du PAPR et sa relation avec l’autocorrélation du signal COFDM avant de transiter par le bloc de transformée de Fourier rapide inverse (IFFT). Cela permet de conclure sur les caractéristiques principales des codes qui génèrent des pics élevés dans le signal COFDM, et donc sur les paramètres optimaux afin de réduire le PAPR.

Enfin, nous proposons une nouvelle technique de réduction de PAPR hybride pour le système STBC MIMO-OFDM, dans laquelle le code de convolution est optimisé pour éviter la dégradation de PAPR, et combine les schémas successifs de rotation, d’inversion (SS-CARI), de composition modifiée itérative et de filtrage sous-optimal. La nouvelle méthode permet d’obtenir un gain net considérable pour le système, c’est-à-dire une réduction considérable du PAPR, un gain de taux d’erreur sur les bits (BER) par rapport au système MIMO-OFDM de base, une faible complexité et une empreinte spectrale réduite. La nouvelle technique hybride a été largement évaluée par simulation et la fonction de distribution cumulative complémentaire (CCDF), le BER et la densité spectrale de puissance (PSD) ont été comparés au signal STBC MIMO-OFDM d’origine.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 145-169).
Mots-clés libres:	compression, codes convolutifs, amplificateur de puissance élevée, entrées multiples sorties multiples (MIMO), multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM), rapport de puissance pic à moyenne (PAPR), codage de bloc espace-temps (STBC), communication tactique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gagnon, François
Codirecteur:	Codirecteur Poitau, Gwenael
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 mars 2020 14:01
Dernière modification:	09 mars 2020 14:01
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2465

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