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Soutenances de thèses

 

 

Faster-than-Nyquist Signaling for Improved Future Satellite Communications

Jean-Alain LUCCIARDI - Equipe SC - IRIT

Jeudi 11 Octobre 2018, 10h00
INP-ENSEEIHT, Salle des thèses
Version PDF :

Jury

- Marie-Laure Boucheret, Encadrant
- Charly Poulliat, co-encadrant
- Nathalie Thomas, co-encadrant
- Christophe Jego, rapporteur
- Jean-Christophe Helard, rapporteur
- Laurent Ros, examinateur

Résumé

Dans cette thèse, nous avons étudié la méthode de transmission Faster-than-Nyquist afin d'augmenter les débits disponibles dans les transmissions par satellite aujourd'hui régies par le dernier standard de diffusion DVB-S2X. Les performances annoncées par ce standard ont été obtenues dans le cadre d'un canal AWGN sans amplification non-linéaire, scenario nécessitant en pratique un amplificateur bord linéarisé ainsi qu'un recul suffisant, recul d'autant plus important que la modulation complexe employée n'est pas une simple modulation de phase. La linéarisation des amplificateurs peut être remise en cause dans la mesure où elle diminue le rendement énergétique de la diffusion, impliquant une déperdition d'énergie à bord de satellites dont la ressource en puissance est fortement limitée. Pour ces raisons, une transmission satellite dont l'amplificateur bord n'est pas linéarisé a été envisagé. L'accélération du rythme d'émission des symboles sans modification du filtrage de mise en forme permet d'augmenter l'efficacité spectrale théorique de la communication au prix du non-respect du critère de Nyquist et donc de l'ajout d'interférence entre symboles. Afin de bénéficier de la transmission FTN, il est alors nécessaire d'implémenter à la réception des détecteurs avancés permettant de restituer les données portées par le signal. Ces détecteurs sont sujet à un compromis entre leur complexité et leur performance, menant a différentes implémentations de récepteurs dépendant du modèle de canal considéré.

Dans un premier temps, nous avons porté notre attention sur les différents modèles de canaux linéaires se trouvant dans la littérature, obtenus via différents processus de filtrage à la réception. Après avoir rappelé l'impact de la corrélation du bruit résultant d'un filtrage usuel, nous nous sommes intéressé à se soustraire à cette coloration du bruit. Le blanchiment de ce dernier offre une amélioration de la détection lorsque la compression FTN respecte un seuil directement lie au roll-off de mise en forme et donc à l'efficacité spectrale qui peut être atteinte : est-il alors préférable de réaliser ce blanchiment ou bien appliquer une compression plus importante avec un bruit corrélé ? Les résultats présentes dans cette thèse montrent que se soustraire au blanchiment permet plus de gains de capacité. L'autre solution proposée dans la littérature est le détecteur d'Anderson qui consiste à implémenter un filtre adapté au rythme symbole du FTN à la réception afin de ne pas colorer le bruit. Un compromis intrinsèque à cette méthode de détection se dessine puisqu' elle permet de se soustraire à la corrélation du bruit au prix d'un niveau de bruit plus important dans le signal échantillonné filtre. Lorsque le niveau de bruit est important, il est préférable d'implémenter ce récepteur car la corrélation du bruit est prépondérante sur sa puissance (emploi de modulations d'ordres bas, BPSK et QPSK). En revanche, lorsque la puissance de bruit est plus basse, il est préférable d'employer un filtrage classique, préférant ainsi un bruit corrélé à un niveau de bruit blanchi plus important (modulations d'ordres supérieurs).

Dans un second temps, notre étude s'est portée sur les canaux non-linéaires. Les récepteurs avancés sont inévitables pour ne pas travailler avec un recul trop important avec un amplificateur non-linéarisé. L'ajout de la méthode de transmission FTN n'est alors plus rédhibitoire. D'autant que dans nos travaux, nous avons mis en avant la robustesse aux non-linéarités d'une modulation FTN PSK comparée a une APSK émise au rythme Nyquist pour une même efficacité spectrale théorique. Le FTN permet ainsi d'opérer plus proche de la saturation de l'amplificateur. L'opération de cet amplificateur embarque au plus proche de la saturation, afin d'améliorer le bilan de liaison engendre l'introduction de fortes distorsions non-linéaires dans le signal, auxquelles s'ajoutent les interférences linéaires inhérentes au FTN…

Abstract

The stated policy for $2020$, offer an Interactive services continuity on the European territory is a chance for satellite communications field which could be a strong alternative candidate for optical fiber. With this in mind, the satellite communications rates must be enough for broadcasting broadband internet, UHD television or VoIp communications.

Regarding DVB-S2, the recent standard update called DVB-S2X offers a $15\%$ increase of theoretical transmission rates. It was achieved thanks to high order modulations ($64$APSK, $128$APSK, and $256$APSK) and tighter roll-off factor ($5\%$ and $10\%$).

However, those innovations carry higher complex envelop fluctuations involving an increased sensitivity to non-linear distortions introduced by the satellite's payload. Then, two strategies are suggested.

First, the nowadays strategy, involving linearized on-board amplifiers operated with high input back-off. It corresponds to huge losses in terms of capacity regarding the linear channel (i.e. no payload considered) and makes high order modulations not an option.

As part of this study, second strategy's solutions are investigated, in particular signaling waveform modification and the required associated advanced receivers' implementation. Faster-than-Nyquist innovation is subject to our research, it consists of the symbol rate acceleration at the transmitter leading to a mismatch with the shaping filter. Introducing strong inter-symbol interferences (ISI), it requires iterative detectors at the receiver for equalization, providing a spectral efficiency increase of the satellite transmission. Firstly introduced for a linear channel, this signaling is extended to the non-linear regime in wideband communication. Many detectors have been proposed in the literature, a thorny point of our study is to identify scenarios in which each receiver is relevant.

In a first time, Faster-than-Nyquist signaling is studied in the linear context, discussing the relative interest of each receivers proposed in the state of the art. Moreover, this study will discuss dedicated data encoding for improved FTN transmission.

Then, the global satellite channel will be introduced, including the payload, its induced non-linear distortions and their model through Volterra series. Subtleties of the Volterra model when FTN signaling in the saturation regime of the amplifier is considered will be deeply investigated leading to many conclusions on the suitable detection for each scenario. The case of wideband transmission whose channel selectivity is increased will be addressed too, depicting the interest of FTN as a new degree of freedom in such a transmission.

Finally, acquisition and synchronization schemes will be proposed for FTN signaling in linear and non-linear channels.

 

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