Contribution of the a priori Knowledge of the localization of the transmitter on adaptive MIMO algorithms in tunnel environment for subways applications

Autor: Kwadjane, Jean-Marc
Přispěvatelé: Laboratoire Électronique Ondes et Signaux pour les Transports (IFSTTAR/COSYS/LEOST), Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR)-PRES Université Lille Nord de France, Université Lille 1 Sciences et Technologies, Marion BERBINEAU, Cadic, Ifsttar
Rok vydání: 2014
Předmět:
Zdroj: 157p
Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. Université Lille 1 Sciences et Technologies, 2014. Français
Popis: The transport sector is a major player in the development and application of information technology and communications to improve the movement of people and goods. Especially, control systems in fully automated driverless urban guided transport have intensified this development. These systems rely on wireless transmissions between the ground and the train conducted with modems like Wi-Fi which have been adapted to the constraints of rail operations. They meet the operational needs of safety and comfort, such as traffic management, maintenance, security and passenger information and personnel. There are two main families of systems: transmission systems for low-speed control and monitoring of traffic and transmission systems for high-speed embedded video surveillance, maintenance or multimedia applications. These systems must be robust and performance indicators relating to the requirements of dependability and Quality of Service must be guaranteed. For metro applications, these transmission systems operate in complex environments such as tunnels where the usual laws of propagation in free space are no longer valid. The ANR project PREDIT MOCAMIMODYN (MOdèles de CAnaux MIMO DYNamiques en tunnels pour des applications transport public) showed that multiple antennas techniques without channel knowledge at the transmitter (space-time coding or spatial multiplexing) communication provided poor performance compared to those obtained in uncorrelated performance environments. This thesis is an extension of the work of MOCAMIMODYN project. It focuses on the design of adaptive algorithms for wireless communications in a multi-antenna context in transmission and reception (MIMO) and tunnel environment for subways. MIMO technology emerged in the late 90s is now widely present in many wireless communication standards. This technology allows to answer two current needs: High-speed and transmission quality. However, performance decrease when the propagation channel shows the correlation between antennas, the issue as to the reception, as may be the case in the tunnels. In this thesis, we are interested in MIMO precoding algorithms using the knowledge of the channel at the transmitter. Generally, these algorithms require a feedback channel for transmitting either the full channel information, or, information related to the selected precoding matrix. However, the reverse link is often constrained in terms of throughput as it also conveys useful information for a bi-directional system. To minimize the loss of spectral efficiency due to the return link, we turned to precoding algorithms that minimize the amount of information to be transmitted on the reverse channel. We carried out a complete and realistic simulation and we evaluated the performance of different precoders from the literature and standards. This study takes into account different levels of quantity and quality of feedback. The simulations were performed in theoretical and measured channels from measurement campaigns of MOCAMIMODYN project. We also conducted a detailed study of the performance of precoders in the presence of impulsive noise characteristic of the railway environment. We propose a theoretical upper bound of the error probability of \maxdmin\ precoder in uncorrelated and correlated in the presence of impulsive noise modeled by a Cauchy distribution environments. We also propose a suitable noise optimal receiver. Then we compare the transmission performance according to the criterion of the receiver. The characterization of the MIMO propagation channel tunnel has also yielded a detailed knowledge of the characteristics of the propagation environment depending on the location in the tunnel. Thus, in this thesis we proposed a system based on the correlation matrix precoder and studied the possibility of using the delete link back to this a priori knowledge of the degree of correlation depending on the position of the transmitter.
Le monde des transports constitue un acteur majeur du développement et de l'application des technologies de l'information et de la communication afin d'améliorer les conditions de déplacement des personnes et des biens. Notamment, les systèmes de conduite totalement automatisée sans conducteur dans les transports urbains guidés ont fortement accentué ce développement. Ces systèmes reposent sur des transmissions sans fil entre le sol et les trains réalisées avec des modems de type Wi-Fi qui ont été adaptés aux contraintes de l'exploitation ferroviaire. Ils répondent à des besoins opérationnels de sécurité et de confort, tels que la gestion du trafic, la maintenance, la sécurité et l'information des passagers et du personnel. Il existe principalement deux familles de systèmes : les systèmes de transmissions à bas débit pour le contrôle-commande des circulations et les systèmes de transmissions à haut débit pour la vidéo surveillance embarquée, la maintenance ou les applications multimédia. Ces systèmes doivent être robustes et des indicateurs de performances relatifs aux exigences de sûreté de fonctionnement et à la Qualité de Service doivent être garantis. Pour des applications métros, ces systèmes de transmissions opèrent dans des environnements complexes tels que les tunnels où les lois usuelles de la propagation en espace libre ne sont plus valables. Le projet ANR PREDIT MOCAMIMODYN (MOdèles de CAnaux MIMO DYNamiques en tunnels pour des applications transport public) a notamment permis de montrer que les techniques de communications multi antennes sans connaissance du canal à l'émetteur (codage espace-temps ou multiplexage spatial) ne permettent pas de conserver des performances comparables à celles obtenues dans des environnements non corrélés. Ce travail de thèse constitue une prolongation des travaux du projet MOCAMIMODYN. Il porte sur la conception d'algorithmes adaptatifs pour des communications sans fil dans un contexte multi-antennes en émission et en réception (MIMO) et en environnement tunnel pour les métros. La technologie MIMO apparue dans la fin des années 90 est maintenant largement présente dans de nombreux standards de communication sans fil. Cette technologie permet de répondre à deux besoins actuels : haut débit et qualité de transmission. Cependant, les performances restent mitigées lorsque le canal de propagation fait apparaître de la corrélation entre antennes, à l'émission comme à la réception, comme cela peut être le cas dans les tunnels. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux algorithmes MIMO dits de précodage, qui utilisent la connaissance du canal à l'émetteur. Généralement, ces algorithmes nécessitent une voie retour pour transmettre, soit l'information complète du canal, soit, les informations liées à la matrice de précodage choisie. Cependant, la liaison retour est très souvent contrainte en termes de débit car elle transmet également de l'information utile pour un système bi directionnel. Afin de minimiser la perte d'efficacité spectrale due au lien retour, nous nous sommes orientés vers des algorithmes de précodage qui minimisent la quantité d'information à transmettre sur la voie retour. Nous avons réalisé une chaîne de simulation complète et réaliste et nous avons évalué les performances de différents précodeurs issus de la littérature et des standards. Cette étude prend en compte plusieurs niveaux de quantité et de qualité de l'information retournée. Les simulations ont été réalisées dans des canaux théoriques et mesurés issus des campagnes de mesures du projet MOCAMIMODYN.Nous avons également réalisé une étude détaillée des performances des précodeurs en présence de bruit impulsif caractéristique de l'environnement ferroviaire. Nous proposons une borne supérieure théorique de la probabilité d'erreur du précodeur \maxdmin\ dans des environnements décorrelés et corrélés en présence du bruit impulsif modélisé par une loi de Cauchy. Nous proposons également un récepteur optimal adapté à ce bruit. Ensuite nous comparons les performances de transmission en fonction du critère du récepteur. La caractérisation du canal de propagation MIMO en tunnel a aussi permis d'obtenir une connaissance fine des caractéristiques de l'environnement de propagation en fonction de la localisation dans le tunnel. Ainsi, dans cette thèse nous avons proposé un précodeur basé sur la matrice de corrélation et étudié la possibilité de supprimer le lien retour grâce à cette connaissance a priori du niveau de corrélation en fonction de la position de l'émetteur.
Databáze: OpenAIRE
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