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1 Université de Lille, Sciences et Technologies

Abstract : The scarcity of the radio spectrum and the increasing demand on bandwidthmakes it vital to optimize the spectrum use. While a maximum e-ciency should be attained, a minimal interference level should be maintained.Orthogonal frequency division multiplexing OFDM is a well-known modulationscheme reputed to combat multipath fading eciently. OFDM has beenselected as the modulation scheme in several standards such as the 3GPP longterm evolution LTE and a derivative of OFDM, the generalized frequencydivision multiplexing GFDM, is a candidate for 5G systems. In order toguarantee a coherent detection at the receiver, in the absence of the channelknowledge, channel estimation is regarded as a fundamental task in OFDM. Itbecomes even more challenging in the presence of interference.In this thesis, our aim is to propose channel estimation algorithms forOFDM systems in the presence of interference, where conventional channel estimatorsdesigned for OFDM fail. In particular, we focus on interference thatarises as a result of schemes envisioned to optimize the spectrum use. Thisleads us to consider two main themes; cognitive radio CR and superimposedpilots SP.First, we consider the CR environment which has been proposed to tacklethe problem of spectrum scarcity. Technologies employing OFDM as their modulationscheme such as WIMAX and WRAN, might exist in a CR network. Insuch scenarios, a particular type of interference arises and is known as thenarrowband interference NBI. NBI is characterized by a high power whichstrikes a small number of OFDM sub-carriers. While all existing literatureaddresses slow time-varying channels, we propose a novel channel estimationframework for fast time-varying channels in OFDM with NBI. This is accomplishedthrough an expectation maximization EM based algorithm. Thisformulation allows us to obtain a closed-form expression for the noise power estimation.The known pilot sub-carriers inserted within the OFDM frame to accomplishthe channel estimation task are another source of bandwidth consumptionin OFDM. In an attempt to overcome this drawback, SP have been proposed assubstitutes to conventional pilots. In this thesis, we are particularly interestedin a very recent class of SP for OFDM, known as the data-nulling SP DNSPscheme. DNSP assures interference-free pilots at the expense of data interference.Seen the modernity of DNSP, a suitable receiver has to be designed tocope with its design. Turbo receivers are well known to be the most ecientin canceling interference. However, two main drawbacks of turbo receivers aretheir high complexity and their need of an accurate channel estimate. The contributionof this work is twofold and is oriented to deal with the two mentioneddownsides of turbo receivers.We rst propose a low-complexity soft approximated minimum mean squareerror MMSE interference canceler IC particularly for DNSP. In fact, weshow that by exploiting the speci c interference structure that arises in DNSP,the matrix inversion needed by the approximated MMSE-IC in the classical casereduces to a diagonal matrix inversion. The performance of the proposed IC isreliable when the channel estimation error is small. As another contribution, weextend the design of the approximated IC for DNSP so as to take the channelestimation errors into account. Those two contributions allow us to bene tfrom the interference cancellation property of turbo receivers, while keeping alow-complexity and dealing with channel estimation errors when present.Finally, robust channel estimation is discussed in the last chapter. In particular,we provide some insights and propositions for its implementation toproblems of channel estimation in OFDM.

Résumé : La rarete du spectre radio et la demande croissante de bande passanterendent l-optimisation de l-utilisation du spectre essentiel. Tandis qu-une ef- cacite maximale devrait ^etre atteinte, un niveau minimal d-interference devrait^etre maintenu. L-OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing enanglais est un schema de modulation bien connu pour combattre ecacementl-evanouissement multi trajets. OFDM a ete retenu comme un schema de modulationdans plusieurs normes, comme le 3GPP LTE Long Term Evolutionen anglais et un derive d-OFDM, le GFDM Generalized Frequency DivisionMultiplexing en anglais, est un candidat pour le systeme 5G. L-estimationde canal est une t^ache fondamentale dans les systemes OFDM et elle devientplus dicile en presence d-interference. Dans cette these, notre objectif estde proposer des algorithmes d-estimation de canal pour les systemes OFDMen presence d-interference, ou les algorithmes classiques d-estimation de canalechouent. En particulier, nous nous concentrons sur les interferences dues acertaines approches utilisees pour optimiser le spectre. Cela nous amene a considerer les deux cas suivants.1 Tout d-abord, nous considerons l-environnement radio intelligente CRCognitive Radio en anglais qui a ete propose pour faire face au probleme derarete du spectre. Les technologies qui emploient l-OFDM comme schema demodulation WIMAX, WRAN peuvent exister dans un scenario de CR. Dansde tels scenarios, un type particulier d-interference se pose et il est connu commel-interference a bande etroite ou NBI Narrowband Interference en anglais.NBI est caracterisee par une puissance elevee qui frappe un petit nombre desous porteuse dans un systeme OFDM. Pendant que tous les travaux dansla litterature traitent le cas du canal a variations lentes, nous proposons unnouveau cadre d-estimation de canal pour les canaux a variations rapides contaminés par NBI. Cela est accompli avec l-algorithme EM Expectation maxi-mization en anglais et une expression explicite pour l-estimation de la puissancedu bruit est obtenue.2 Une autre source de consommation de bande passante en OFDM estla presence de pilotes connus inseres dans la trame OFDM pour accomplirl-estimation du canal. Pour tenter de remedier a ce probleme, les pilotes superposes SP Superimposed Pilots en anglais ont ete proposes comme substitutsaux pilotes classiques. Dans cette these, on est interesse par une nouvelle classede SP pour OFDM connu comme DNSP Data Nulling SP en anglais. DNSPassure des pilotes sans interference au detriment d-interference des donnes. Duea la modernite de DNSP, un recepteur adapte a son design doit ^etre concu.Les recepteurs turbo sont connus pour ^etre les plus ecaces en supprimantl-interference. Neanmoins, ils possedent deux inconvenients majeurs; leur complexite et leur besoin d-un canal precis. La contribution de ce travail est doubleet elle est orientee vers le traitement des deux inconvenients mentionnes.Nous proposons d-abord un annuleur d-interferences IC Interference can-celer en anglais base sur le critere MMSE Minimum Mean Square Erroren anglais a faible complexite pour DNSP. En fait, nous montrons qu-en exploitantla structure speci que de l-interference en DNSP, l-inversion de matricenecessaire dans le cas classique se reduit a l-inversion d-une matrice diagonale.Cependant, la performance de l-IC propose n-est able que quand l-erreur del-estimation du canal est faible. Donc, dans une autre contribution, nous proposonsun IC pour DNSP en tenant compte des erreurs d-estimation du canal.En n l-estimation robuste du canal est abordee dans le dernier chapitre.

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Keywords : interference channel estimation

Mots-clés : OFDM

Autor: Farah Zaarour -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/


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