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Mémoire de Master Faculté : Électronique Spécialité : Systèmes des Télécommunic

Mémoire de Master Faculté : Électronique Spécialité : Systèmes des Télécommunications présenté par HADDOUCHE Khaled Contamination des pilotes en MIMO Massif Proposé par : Dr AIT SAADI Hocine & Prof MELIANI Hamza Année Universitaire 2017-2018 الجـمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية République Algérienne démocratique et populaire وزارة التعليم الــعــالي والبحــث العــلمــي Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique جــامعة سعد دحلب البليدة Université SAAD DAHLAB de BLIDA كلية التكنولوجيا Faculté de Technologie قسم اإللكترونيـك Département d’Électronique Remerciements Je remercie « Allah » le tout puissant qui m’a donné la santé, la volonté, la patience et le courage tout au long de mes études et au cours de la réalisation de ce modeste travail. J’aimerais tout d’abord remercier chaleureusement mes encadreurs, Mr AITSAADI Hocine, pour son esprit scientifique et sa pédagogie et Mr MELIANI Hamza pour sa vision innovante des nouvelles techniques et sa rigueur. Ils ont tous les deux permis, à travers leurs orientations, de surmonter la plupart des défis rencontrés. Ils représentent de véritables chercheurs scientifiques qui ont su me faire profiter de leurs expériences ainsi que de leur grande culture scientifique. Je remercie aussi toute la promotion de système de télécommunication, et tous ceux qui ont participé de près ou de loin à la réalisation de ce modeste travail Je tiens à adresser ma reconnaissance à tous mes profs et en particulier ceux et celles qui ont su m’encourager et m’aiguiller à tout moment. Dédicace Je dédie ce modeste travail à ceux qui me sont chers, je cite en premier lieu mes irremplaçables parents, Mohamed et Fatma qui m'ont donné un magnifique modèle de labeur et de persévérance et m’ont octroyé de nobles valeurs. Mon adorable sœur Hizia, et mes chers frères Billel, Reda Mes chers Toufik, Amin et Bilel. Et mes chères Assala, Moufida, Radhia. Toute ma famille et mes proches amis et amies. Tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail. Moi-même et à tous ceux qui m'aiment Khaled :ملخص نحن نحرز تقدما نحو عصر الجيل الخامس اآلن، وكفاءة الطاقة هي معيار تصميمي مهم لتلبية أهداف "االتصاالت الخضراء". تتمثل إحدى االستراتيجيات للتعامل مع هذه المشكلة في االتصاالت ا لمتعددة المدخالت المتعددة (متعددة المدخالت متعددة المخرجات) ، خاصة عندما يصبح عدد الهوائيات كبيرًا جدًا "Massive MIMO". تقنية MIMO الضخمة هي تقنية ناشئة يتم تصور استخدامها في شبكات المحمول المستقبلية. ومع ذلك، واحدة من المشاكل الخطيرة التي واجهتها هي تلوث السائقين التي نقترح تحليلها في هذه الذاكرة. كلمات:المفاتيح ل هائ , MIMO متعدد االستخدامات,تلوث .الطيار Résumé : Nous faisons des progrès actuellement vers l'ère delà 5G, l'efficacité énergétique (EE) est un critère de conception important pour répondre aux objectifs des " communications vertes ". L'une des stratégies permettant de traiter ce problème est les communications multi-antennes multi-utilisateurs (multi-input multi-output), notamment lorsque le nombre d'antennes devient très grand « Massive MIMO ». La technologie MIMO massif est une technique émergente dont l'utilisation est envisagée dans les futurs réseaux mobiles. Cependant, un des problèmes sérieux rencontrés est la contamination des pilotes que nous proposons d’analyser dans ce mémoire. Mots clés : MIMO massif, multiutilisateurs, contamination des pilotes Abstract : As we make progress towards the 5G era, energy efficiency (EE) is an important design criterion to meet the goals of "green communications". One of the strategies for dealing with this problem is multi-input multi-input communications, especially when the number of antennas becomes very large "Massive MIMO". Massive MIMO technology is an emerging technology for use in future mobile networks. However, one important problem faced in this field of telecommunication is the pilot contamination that we propose to analyze in this dissertation. Keywords : massive MIMO, multi-user, Pilot Contamination Table de matière Introduction générale ............................................................................................................................................... 1 Chapitre 1 : Les systèmes MIMO massif ........................................................................................................... 3 1.1 Introduction ............................................................................................................................................. 3 1.2 Massive MIMO ........................................................................................................................................ 3 1.3 Principe de la technique MIMO............................................................................................................... 5 1.4 MIMO homogène (systèmes à un seul niveau) ....................................................................................... 6 1.5 Les différents types du MIMO massif ...................................................................................................... 7 1.5.1 MIMO mono-utilisateur : ................................................................................................................ 7 1.5.2 MIMO Massif multiutilisateurs : ...................................................................................................... 8 1.5.3 Modèle de système TDD multi-cellules ......................................................................................... 10 1.6 Caractéristiques d’un système MIMO Massif ....................................................................................... 10 1.6.1 La préférence du schéma TDD en MIMO Massif ........................................................................... 11 1.6.2 Évolutivité : .................................................................................................................................... 11 1.7 Traitement dans le système MIMO Massif ........................................................................................... 11 1.7.1 Estimation du canal ....................................................................................................................... 12 1.7.2 Données de la liaison montante .................................................................................................... 12 1.7.3 Données de liaison descendante ................................................................................................... 13 1.7.4 Apprentissage basé sur TDD .......................................................................................................... 13 1.8 Conclusion ............................................................................................................................................. 13 Chapitre 2 : ...................................................................................................................................................... 14 Contamination des pilotes en MIMO Massif ......................................................................................................... 14 2.1 Introduction : ......................................................................................................................................... 14 2.2 Le système MIMO multi-utilisateur ....................................................................................................... 14 2.3 Le beamforming .................................................................................................................................... 15 2.4 Interférence multi-cellules .................................................................................................................... 16 2.5 Les différents niveaux de coopération multicellulaire .......................................................................... 16 2.5.1 Coordination des interférences ......................................................................................................... 16 2.5.2 Coopération MIMO ........................................................................................................................... 17 2.6 CoMP (Coordinated Multi-Point) .......................................................................................................... 18 2.7 Contamination des pilotes .................................................................................................................... 19 2.7.1 Acquisition CSI ............................................................................................................................... 20 2.7.2 Méthodes d’apprentissage ............................................................................................................ 20 2.8 Sources de contamination du pilote ..................................................................................................... 20 2.8.1 Réutilisation pilote non-orthogonale ............................................................................................ 21 2.8.2 Déficience matérielle (Hardware Impairment) ............................................................................. 21 2.8.3 Émetteur-récepteur non-réciproque ............................................................................................ 21 2.9 Contamination du pilote de liaison montante ...................................................................................... 21 2.10 Contamination pilote dans la liaison montante et la liaison descendante ........................................... 22 2.10.1 Performances de liaison montante ............................................................................................... 22 2.10.2 Session de liaison descendante ..................................................................................................... 22 2.11 Atténuation de la contamination du pilote ........................................................................................... 22 2.11.1 Pilotes décalés dans le temps ........................................................................................................ 23 2.11.2 Estimation de canal non linéaire ................................................................................................... 23 2.12 Conclusion ............................................................................................................................................. 23 Chapitre 3 : Simulation et résultats ............................................................................................................... 24 3.1 Introduction : ......................................................................................................................................... 24 3.2 Présentation de la liaison montante du système étudié....................................................................... 24 3.3 Etude et Simulation du modèle mathématique de la liaison montante ............................................... 24 1.5.4 Phases de la communication de la liaison montante : .................................................................. 24 3.3.1 Apprentissage et estimation du canal sur la liaison montante ..................................................... 25 3.3.2 Résultat du l’EQM avec l’algorithme MMSE ................................................................................. 26 3.4 Analyse de l’effet de la contamination des pilotes en DL : ................................................................... 29 3.5 Conclusion ............................................................................................................................................. 33 Conclusion générale .............................................................................................................................................. 35 Bibliographie ......................................................................................................................................................... 36 Liste des figures Fig. 1.1 : Vitesse évolutive des réseaux sans fil Fig. 1.2 : Système MIMO massif en transmission multi-utilisateur Fig. 1.3 : Principe de MIMO Fig. 1.4 : Fonctionnement d’une liaison montante et de liaison descendante en MIMO Fig. 1.5 : MIMO massif mono-utilisateur Fig. 1.6 : Système multi-utilisateur MIMO massif Fig. 1.7 : La BS dans la lieme et kieme utilisateur dans la jieme cellule Fig. 1.8 : Trois étapes dans un cadre TDD Fig. 1.9 : Trame TDD Fig. 2.1 : Illustration de la transmission en liaison descendante et en liaison montante dans un système MIMO multi-utilisateurs Fig. 2.2 : Beamforming analogique Fig. 2.3 : Beamforming coordonné spécifique Fig. 2.4 : MIMO coopération Fig. 2.5 : Transmission conjointe Fig. 2.6 : Coordinated beamforming Fig. 2.7 : Contamination du pilote Fig. 3.1 : L’erreur quadratique moyenne (EQM) en fonction du nombre de cellules L Fig. 3.2 : La BS avec M=200 antennes dans la cellules-j et K utilisateurs dans la cellule-l adjacente Fig. 3.3 : l’efficacité spectrale en (bits/s/Hz) en fonction de nombre d’antenne M Liste des acronymes et abréviations 5G: Fifth Generation BS: Base Station. SB: Station de base. CSI: Channel State Information D2D: Device-To Devise. FDD: Frequency Division Duplexing ICI: Inter Cell Interference LOS: Line of Sight MIMO: multiple-input-multiple-output MMSE: Minimum Mean Square Error. MU-MIMO: Multiple users MIMO Mass-BS: Massive MIMO Base Station OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing. QoS: Quality of service RF: Radio Frequency. SISO: Single-input-single-output SU-MIMO: Single user MIMO TDD: Time Division Duplexing. UT: User Terminal 1 Introduction générale Par la révolution du Cloud Computing et des Smartphones, une énorme quantité de données devrait traverser le réseau chaque seconde où la plupart de ces données sont livrées par des transmissions sans fil. La demande rapide de la croissance de la bande passante et les demandes de QoS (quality of service) rendent les réseaux mobiles de la 4ème génération insuffisants. Les réseaux de la 5ème génération doivent répondre aux exigences des transmissions futures telles qu’une vitesse de transmission de données de 100 Mbits/s jusqu'à 1 Gbit / s par terminal utilisateur (UT), avec une densité de connexion qui dépasse 1Méga de connexions / Km2, la mobilité des véhicules à grande vitesse jusqu'à 500 km / h et un délai de bout en bout (E2E) inférieur à 10 ms. Un candidat prometteur qui peut offrir ces demandes est le système sans fil multi-utilisateurs multi-cellules Massif (Massive Multiple-Input Multiple-Output : Massive MIMO [4]. Dans la technique multi porteuse, on utilise généralement des données supplémentaires qu’on appelle pilotes pour l’estimation du canal de transmission. Cependant, la technique MIMO massive est limitée par l'interférence intercellulaire (ICI) due à la réutilisation du pilote qui provoque la contamination de celui-ci. Dans cette étude, nous nous intéressons à la contamination du pilote dans les liaisons sans fil. L’étude de ce problème dans le cas de la liaison montante TDD (Time Division Duplexing) est réalisée dans ce mémoire. Ce mémoire est organisé en trois chapitres; Dans le uploads/Management/ finale-me-v22.pdf