Performance Evaluation and Analysis of Mimo Schemes in LTE Networks Environment

This thesis considers both an analysis and a numerical evaluation of the performance of MIMO radio systems in the LTE network environment. More specifically we consider the physical layer of the OFDM-MIMO based radio interface. As a first step we present a theoretical analysis of the bit error rate of the two space-time codes adopted by the LTE norm, namely the SFBC 21 and FSTD 42 codes, as a function of the signal upon noise ratio. Analytical expressions are given for transmission over a Rayleigh channel without spatial correlation which are then compared with Monte-Carlo simulations. As a second step, we consider the capacity of the channel obtained by using these codes on a Rayleigh fading channel. Results show that simulated throughput almost reaches the capacity limit. As a different topic, this thesis considers also MIMO systems based on antenna selection. By using order statistics we develop analytical expressions for the error rate on a Rayleigh channel without antenna correlation. In order to validate our numerical results, an algorithm implementing antenna selection at the receiver has been developed and used in the simulations. As a last step the effect of antenna correlation is investigated through the use of simulations and a model of spatial antenna correlation based on the Kronecker product of two correlation matrices related to the transmitting and receiving elements of the MIMO scheme.

Résumé

Dans cette thèse, nous proposons d'évaluer et d'analyser les performances des configurations radio à antennes multiples à l'émission et/ou la réception (MIMO) dans l'environnement des réseaux LTE (Long Term Evolution). Plus spécifiquement, on s'intéresse à la couche physique de l'interface radio OFDM-MIMO de ces réseaux. Après une introduction rapide aux réseaux LTE et aux techniques MIMO, on présente dans une première étape, une analyse théorique du taux d'erreur binaire en fonction du rapport signal sur bruit des deux principaux codes spatio-temporels de la norme LTE, à savoir le codage SFBC 21 (Space Frequency Block Coding) et le codage FSTD 42 (Frequency Switch Transmit Diversity). On développe les équations analytiques du taux d'erreur binaire de ces codes dans un canal à évanouissement de Rayleigh sans corrélation spatiale qui sont par la suite comparées à des valeurs obtenues par simulations Monte-Carlo. Dans une deuxième étape, on considère l'évaluation de la capacité du canal résultant de l'utilisation de ces mêmes codes dans un canal à évanouissement de Rayleigh. Pour fin de comparaison, on propose par la suite d'évaluer par simulation leur débit effectif. Les résultats montrent que la capacité peut effectivement être presque atteinte en pratique. Le deuxième volet de cette thèse considère les performances des systèmes MIMO utilisant la sélection d'antennes. Nous utilisons la théorie d'ordre statistique pour développer des équations analytiques relatives au taux d'erreur binaire des systèmes avec sélection d'antennes du coté récepteur dans un canal d'évanouissement de Rayleigh sans corrélation spatiale. Afin de valider numériquement les résultats de notre analyse, un algorithme à sélection d'antenne au récepteur a été développé et utilisé en simulation. Dans un dernier temps, on évalue l'effet de la corrélation spatiale entre les antennes. L'étude est faite à partir de simulations et d'un modèle de corrélation spatiale basé sur le produit Kronecker de deux matrices de corrélation relatives respectivement à l'émission et à la réception.