Prototypage d un syst me mimo mc cdma sur plate forme h t rog ne
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Prototypage d’un système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène - PowerPoint PPT Presentation


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Prototypage d’un système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène. Christophe Le Guellaut Thèse de doctorat – INSA de Rennes 26 janvier 2009. Directeur de thèse : Fabienne Nouvel Groupe Communications Propagation Radar Équipe Prototypage et system on chip. Les systèmes sans-fil

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Presentation Transcript
Prototypage d un syst me mimo mc cdma sur plate forme h t rog ne

Prototypage d’un système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène

Christophe Le Guellaut

Thèse de doctorat – INSA de Rennes

26 janvier 2009

Directeur de thèse : Fabienne Nouvel

Groupe Communications Propagation Radar

Équipe Prototypage et system on chip


Plan de la pr sentation

Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Plan de la présentation

  • Les systèmes sans-fil

  • La plate-forme de prototypage SUNDANCE

  • Le système MC-CDMA

  • Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

  • Conclusions et perspectives


Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-fil

Objectifs de la thèse

  • Les systèmes sans-fil

  • La plate-forme de prototypage SUNDANCE

  • Le système MC-CDMA

  • Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

  • Conclusions et perspectives


L volution des syst mes sans fil

Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-fil

Objectifs de la thèse

L’évolution des systèmes sans-fil

  • Appareils communicants dédiés à certains services (ou réseaux)

  • Mobile

    • Réseau cellulaire

    • Téléphonie, SMS

  • PC

    • Réseau local (LAN)

    • Internet par réseau téléphonique fixe (RTC, RNIS)


L volution des syst mes sans fil1

3G hétérogène

Internet

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-fil

Objectifs de la thèse

L’évolution des systèmes sans-fil

  • De nouveaux services pour le mobile

    • WPAN(1) (Bluetooth)

    • Internet par Wi-Fi (WLAN(2))

    • Internet par réseau cellulaire (UMTS)

    • Voie sur IP (VOIP) avec Unik

  • De nouvelles possibilités pour le PC

    • Internet mobile (réseau cellulaire)

  • De plus en plus de standards dans les terminaux

(1) : WPAN : Wireless Personnal Access Network

(2) : WLAN : Wireless Local Access Network


L volution des syst mes sans fil2

UMTS hétérogène

GSM

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-fil

Objectifs de la thèse

L’évolution des systèmes sans-fil

  • Multiplication des standards = multiplication des puces intégrées

    • Terminal « universel » sur une architecture adéquate (reconfigurable)

  • Architectures reconfigurables statiquement (architecture paramétrable)

    • Nécessite l’arrêt de la transmission, puis la réinitialisation à chaque changement de configuration

  • Architectures reconfigurables dynamiquement

    • Permet à tout instant de désallouer des ressources

    • Changement de configuration pendant une communication (temps-réel)

    • Ex. : radio-logicielle, radio cognitive


Objectifs de la th se

Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-fil

Objectifs de la thèse

Objectifs de la thèse

  • Les thématiques

    • Nouvelle forme d’onde (4G), communes aux réseaux locaux et cellulaires maximisant

      • Le débit

      • Le nombre d’utilisateurs

      • La fiabilité de la liaison

    • Les formes d’onde de type OFDM ou MIMO-OFDM (LTE, Wimax) fortement pressenties

    • Plate-forme multi-standards pour tester différentes formes d’onde


Objectifs de la th se1

(1) hétérogène :PlAte-forme de déveLoppeMent d’évaluation des sYstèmes Radio-Electriques

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-fil

Objectifs de la thèse

Objectifs de la thèse

  • Travaux antérieurs à la thèse

    • Plate-forme Sundance (cartes, composants, code)

    • Modem MC-CDMA sur une bande de 25 MHz (débits ~20 Mbit/s) sur canal analogique filaire

  • Contexte

    • Projet Palmyre(1) (2002 – 2005)

    • Projet Palmyre 2 (2007 – 2013)

  • Objectifs

    • Développer la partie numérique du modem pour incorporer la composante MIMO

      • MIMO 2x2

      • Problématiques d’estimation de canal, de synchronisation dans le cas MIMO

    • S’interfaçer avec un canal :

      • Canal réel + segment RF associé

      • Simulateur de canal

    • Enrichir la plate-forme avec de nouvelles applications


Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

  • Les systèmes sans-fil

  • La plate-forme de prototypage SUNDANCE

  • Le système MC-CDMA

  • Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

  • Conclusions et perspectives


La plate forme de prototypage

Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

La plate-forme de prototypage

  • La plate-forme Sundance

    • 1 émetteur  PC + cartes Sundance (TX)

    • 1 canal  composants analogiques

    • 1 récepteur  PC + cartes Sundance (RX)

  • Des solutions Sundance modulaires

    • 1 carte mère (relié au PC par port PCI)

    • Des cartes filles (DSP, FPGA, convertisseurs)

Tx

Rx

Canal

DSP

FPGA

CAN/CNA


La plate forme de prototypage1

Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

La plate-forme de prototypage

  • Emetteur

    • DSP (SMT335)

      • TI C6201 à 200 MHz (virgule fixe)

    • FPGA (SMT398)

      • Virtex-2 à 2 millions de portes

    • CNA (SMT388)

      • 14 bits non signés @ 130 MHz

    • Ports de communications

      • Sundance digital bus (SDB) à 200 Mo/s

      • Communication port (CP) à 20 Mo/s

  • Partitionnement du système :

    • DSP : configuration du modem

    • FPGA : schéma de transmission

  • Sortie du CNA

    • signal MC-CDMA (B=25 MHz)

    • FI1 = 12,5 MHz, ou 37,5 MHz


La plate forme de prototypage2

Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

La plate-forme de prototypage

  • Récepteur

    • DSP (SMT375)

      • TI C6701 à 200 MHz (virgule flottante)

    • FPGA (SMT398)

      • Virtex-2 à 2 millions de portes

    • CNA (SMT380)

      • 12 bits non signés @ 130 MHz

    • Ports de communications

      • Sundance digital bus (SDB) à 200 Mo/s

      • Communication port (CP) à 20 Mo/s

  • Partitionnement du système :

    • DSP : configuration du modem

    • FPGA : schéma de réception


La plate forme de prototypage3

Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

La plate-forme de prototypage

  • Le canal (filaire) utilisé

    • Amplificateur 20 dB

    • Atténuateur variable 0 – 60 dB

    • Filtre d’émission (passe-bas, fc = 50 MHz)

  • D’autres canaux à considérer

    • Simulateur de canal sans-fil (logiciel ou matériel)

    • Canal « réel » (rajout d’un segment RF)

Horloge


La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

  • Les systèmes sans-fil

  • La plate-forme de prototypage SUNDANCE

  • Le système MC-CDMA

  • Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

  • Conclusions et perspectives


La technique mc cdma

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

1

1

1

2

2

2

3

3

3

4

4

4

1 symbole MC-CDMA

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La technique MC-CDMA

  • Combinaison de l’OFDM et du CDMA

    • Le CDMA étale les données d’après le facteur d’étalement Lc

    • L’OFDM multiplexe les données sur Nc sous-porteuses

  • Accès multiple provient du code attribué à chaque utilisateur

  • Exemple : Lc=16, Nc = 64 et 3 utilisateurs

t

3ème utilisateur

2ème utilisateur

1er utilisateur

Codes

Sous-porteuses

1

16

32

48

64


Les param tres syst mes

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les paramètres systèmes

  • Forme d’onde MC-CDMA paramétrable

  • Estimation de canal

    • canal quasi-statique

    • Applications « indoor »

  • Synchronisation trame

    • Détection du début de trame

  • Sortie de la chaîne en fréquence intermédiaire

    • FI = 12,5 MHz

    • FI = 37,5 MHz


La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La chaîne d’émission-réception

Map.

Étalement

Entrelaceur

Insertion

Estimation

PAD

IFFT

Insertion

Synchro

IG

BBFI

CNA

Canal

SISO

Estimation

du canal

Map.-1

Étalement-1

Entrelac.-1

Égalisation

PAD-1

FFT

IG-1

Synchro

FIBB

CAN


La cha ne d mission r ception

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Trames MC-CDMA

Symboles d’estimation

et de synchronisation

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La chaîne d’émission-réception

  • Prototype fonctionnel

    • Débits de l’ordre de 20 Mbit/s

    • Latence de quelques sec. lors de la transmission d’un flux vidéo

    • Visualisation des erreurs de transmission

  • Améliorations envisageables

    • Synchronisation fréquentielle

    • Canal sans-fil

    • Autre forme d’onde


Les param tres syst mes1

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les paramètres systèmes

  • Remarques sur le format des trames

    • Rythme identique sur toute la chaîne (25 MHz)

      • Format de trame déterminé en début de chaîne

      • Symboles nuls pour recevoir le symbole pilote, le symbole de synchronisation

    • En début de chaîne, des espaces inter-symboles pour l’intervalle de garde

      • OFDM_WAIT

    • Entre les trames, des pauses

      • FRAME_WAIT

    • Transmission par flux continu ou par « burst »


L estimation de canal

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’estimation de canal

  • Avant le passage au MIMO

    • Estimation de canal SISO

    • Synchronisation trame SISO

  • L’estimation de canal pour les systèmes multi-porteuses

    • Estimation des coefficients du canal sur chaque sous-porteuse (fréquentielle)

      • A l’émission, insertion de données connues du récepteur (pilotes)

      • En réception, détermination des coefficients du canal Hk (par sous-porteuse)

    • Egalisation de canal

      • Compensation des effets du canal

      • Algorithmes de détection


L estimation de canal l mission

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

t

Pilotes

Pilotes

3

1

5

2

4

6

1

1

1

2

2

2

Sous-porteuses

1

Nc

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’estimation de canal à l’émission

  • Insertion de pilotes dans le flux de données

    • Superposition des pilotes aux données (codage)

      • Complexité

    • Multiplexage des pilotes avec les données (1 symbole – ex. : 802.11)

Insertion de pilotes sur toutes les sous-porteuses


L estimation de canal en r ception

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’estimation de canal en réception

  • Comparaison du symbole reçu au symbole local

    • Simple à mettre en œuvre

  • Calcul des coefficients d’égalisation

    • Détection mono-utilisateur (MRC, EGC, ZF, MMSE)

    • Détection multi-utilisateurs


L estimation de canal1

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Performances ZF et MMSE proches

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’estimation de canal

  • Zero-Forcing (ZF) utilisé pour son compromis performance/complexité

MF : Matched Filter

(filtre adapté)

Performances des algorithmes de détection mono-utilisateurs pour un système MC-CDMA non codé sur canal de Rayleigh avec Lc = 16 = Nu (Nombre d’utilisateurs actifs).


La synchronisation trame

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

IFFT

Insertion

Synchro

IG

Domaine fréquentiel

Domaine temporel

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La synchronisation trame

  • Contribution sur la synchronisation SISO

  • Initialement, signal entre émetteur et récepteur

  • Synchronisation trame pour détecter le début des trames

    • Emetteur et récepteur indépendants

  • Principe

    • Insertion d’une séquence spécifique dans le flux de données

    • Un symbole complet de synchro, inséré en temporel après l’IFFT


La synchronisation trame1

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La synchronisation trame

  • Séquence pseudo-aléatoire (SPA) à longueur maximale

    • Autocorrélation forte

    • Intercorrélation faible

  • En réception, un corrélateur détecte le symbole de synchro dans le flux

    • Pic de corrélation dépendant de la longueur de la séquence

    • Un comparateur à seuil décide du début de trame (PFA, PND)

    • 2 types de corrélation pour détecter le début de trame

      • Intercorrélation de la séquence reçue avec une séquence locale (classique)

      • Autocorrélation de la séquence reçue (optimisée / complexité)


La synchronisation trame2

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La synchronisation trame

  • Synchronisation par intercorrélation

    • Flux de données corrélé avec la séquence de synchro locale

    • Avantage : méthode connue, efficace

    • Inconvénient : besoin important en ressources (mémoires, MAC)

    • Méthode trop complexe pour notre cible, on utilisera plutôt l’autocorrélation


La synchronisation trame3

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La synchronisation trame

  • Synchronisation par autocorrélation

    • Principe :

      • Corrélation sur 2 demi-séquences identiques (= autocorrélation)

      • Plus de référence locale fixe, mais des séquences glissantes

    • Avantage :

      • Complexité diminuée : seulement 2 x et 2 +/-

    • Inconvénient :

      • Amplitude du pic moins élevée

      • Réglage du seuil


La synchronisation trame4

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

(A)

S1

S1

IG

(B)

S1

S1

IG

(C)

S1

S1

IG

(C)

(B)

(A)

Corrélateur

(D)

(D)

S1

S1

IG

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La synchronisation trame

  • Influence de l’intervalle de garde (IG) sur la corrélation

    • L’IG est un préfixe cyclique

    • L’IG se rajoute sur le symbole de synchro

  • L’IG provoque un effet palier sur le maximum d’autocorrélation (Ng pics)

  • Le palier permet de renforcer la synchronisation en évitant les fausses alarmes


La synchronisation trame5

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

seuil

C>seuil

Comparateur à seuil

Corrélateur

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La synchronisation trame

  • Effet du seuillage :

    • Le seuillage provoque une avance de synchronisation

  • L’avance de synchro est absorbée par l’IG et modifie la placement de la fenêtre de FFT (rotation de phase)

  • La rotation de phase sera compensée lors de l’égalisation

  • La synchronisation trame a été validée et a permis de rendre TX et RX indépendants


R sultats d impl mentation du syst me siso

La technique MC-CDMA hétérogène

Les paramètres systèmes

La chaîne d’émission réception

L’estimation de canal

La synchronisation trame

Résultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Résultats d’implémentation du système SISO

  • Résultats d’implantation sur cible FPGA

    • Le design complet du TX occupe 56% de la cible

    • Le design complet du RX occupe 67% de la cible

  • Fonctions les plus coûteuses

    • FFT/IFFT (CORE)

    • FHT (CORE transformée d’Hadamard)

    • Transposition en FI

    • Estimation/égalisation

  • Passage à une forme d’onde plus complexe peut être délicat pour l’implantation sur la cible


Les techniques MIMO hétérogène

Proposition d’un système MIMO-MC-CDMA

Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

  • Les systèmes sans-fil

  • La plate-forme de prototypage SUNDANCE

  • Le système MC-CDMA

  • Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

  • Conclusions et perspectives


Les techniques mimo

Les techniques MIMO hétérogène

Proposition d’un système MIMO-MC-CDMA

Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les techniques MIMO

  • Plusieurs antennes à l’émission et à la réception (2x2, 4x2, 2x4, 4x4, etc.)

  • Une nouvelle dimension : l’espace

    • Multiplexage spatial pour améliorer le débit (BLAST)

    • Diversité spatiale pour fiabiliser la liaison : codage temps-espace en bloc, en treillis (STBC, STTC)

  • On s’intéresse aux schémas MIMO 2x2 utilisant la diversité spatiale

    • Améliorer la robustesse de la liaison

    • Schéma « simple » à implémenter


Les techniques mimo1

Les techniques MIMO hétérogène

Proposition d’un système MIMO-MC-CDMA

Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

[t+Ts] [t]

Ant. 1

Ant. 2

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les techniques MIMO

  • Un schéma de diversité spatiale pour MIMO 2x2 : le schéma d’Alamouti

    • Schéma de codage en bloc, simple (  , (.)* ), orthogonal

    • Rendement du code R = 1 (maximal)

    • Récepteur simple

  • Combinaison de l’Alamouti 2x2 avec l’OFDM

    • SFBC-OFDM : codage des sous-porteuses d’un symbole OFDM

    • STBC-OFDM : codage des symboles OFDM

      • Applications de type indoor

    • Diversité spatiale uniquement


Les techniques MIMO hétérogène

Proposition d’un système MIMO-MC-CDMA

Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Proposition d’un schéma d’émission MIMO

Map.

Étalement

Entrelaceur

Insertion

Estimation

STBC

PAD

IFFT

Synchro

IG

BBFI

CNA

Canal

MIMO

PAD

IFFT

Synchro

IG

BBFI

CNA

Estimation

du canal

Étalement-1

Entrelac.-1

STBC-1

PAD-1

FFT

IG-1

Synchro

FIBB

CAN

Map.-1

PAD-1

FFT

IG-1

FIBB

CAN


Les param tres du syst me mimo propos

Les techniques MIMO hétérogène

Proposition d’un système MIMO-MC-CDMA

Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les paramètres du système MIMO proposé

  • Mêmes caractéristiques que le système SISO

  • Trame MIMO différente de la trame SISO (contrainte architecturale)

    • 2 symboles de synchro

    • 2 symboles d’estimation

  • Avantage

    • Simplicité de mise en œuvre et validation rapide

  • Inconvénient

    • Non optimal

    • Perte en débit utile


Tude d un nouveau sch ma d mission mimo

Les techniques MIMO hétérogène

Proposition d’un système MIMO-MC-CDMA

Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

  • Schéma MIMO proposé

    • 2 IFFT (Tx)

    • 2 FFT (Rx)

  • Propriété intellectuelle (IP) FFT 2.1 XilinX

    • Mode « streaming » (continu)

    • Besoin important en ressources

  • Contribution : un nouveau schéma MIMO avec 1 seule IFFT


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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

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Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

  • Principe de la contribution

    • Les codeurs STBC (Alamouti, Tarokh) insèrent de la redondance dans le flux de données

    • Ces données sont envoyées à un bloc OFDM (IFFT)

    • Idée : l’OFDM calcule inutilement des IFFT sur ces redondances. Ces redondances peuvent être exprimées en fonction des symboles non codés après IFFT

    • Avantages :

      • 1 seul bloc IFFT quel que soit le nombre d’antennes d’émission

      • Simple à mettre en œuvre

      • Schéma en réception inchangé


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Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

  • Démonstration pour 2 antennes Tx (Alamouti) :

    • Soit la matrice de codage d’Alamouti codant les symboles fréquentiels X1 et X2 :

    • Les symboles codés STBC sont transformés par IFFT :

[t+Ts] [t]

Ant. 1

Ant. 2


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Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

  • Or, en utilisant la propriété , où :

  • Alors :


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Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

  • On obtient un nouveau schéma d’émission OFDM-CSTBC

    • Matrice de codage STBC modifiée (CSTBC) pour l’équivalence avec le schéma classique

    • Exemple pour 2 antennes d’émission :

Schéma classique STBC-OFDM avec codage d’Alamouti

Nouveau schéma OFDM-CSTBC avec codage d’Alamouti


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L’estimation de canal MIMO

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Résultats d’implémentation du système MIMO

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Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

  • Architecture du codeur CSTBC proposé

    • Besoin en BRAM, slices

    • Compatible STBC, CSTBC


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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

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Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

  • Implantation des systèmes STBC-OFDM et OFDM-CSTBC

    • 1 seule IFFT au lieu de 2

    • Complexité du bloc CSTBC équivalente à celle du bloc STBC

    • Économie des ressources d’un facteur 2

  • Valide pour tout système STBC-OFDM

    • 1 seule IFFT quel que soit le nombre d’antennes d’émission

  • Non applicable en réception


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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

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Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La chaîne d’émission-réception MIMO initiale

Map.

Étalement

Entrelaceur

Insertion

Estimation

STBC

PAD

IFFT

Synchro

IG

BBFI

CNA

Canal

MIMO

PAD

IFFT

Synchro

IG

BBFI

CNA

Estimation

du canal

Étalement-1

Entrelac.-1

STBC-1

PAD-1

FFT

IG-1

Synchro

FIBB

CAN

Map.-1

PAD-1

FFT

IG-1

FIBB

CAN


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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La chaîne d’émission-réception MIMO proposée (finale)

Map.

Étalement

Entrelaceur

Insertion

Estimation

PAD

IFFT

CSTBC

Synchro

IG

BBFI

CNA

Canal

MIMO

Synchro

IG

BBFI

CNA

Estimation

du canal

Étalement-1

Entrelac.-1

STBC-1

PAD-1

FFT

IG-1

Synchro

FIBB

CAN

Map.-1

PAD-1

FFT

IG-1

FIBB

CAN


L estimation de canal mimo l mission

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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

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Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’estimation de canal MIMO (à l’émission)

  • L’estimation du canal vue précédemment (SISO) n’est plus valable

    • La superposition des pilotes en réception créée de l’interférences entre pilotes

  • Choix de la séquence pilote

    • Motif pair/impair empêchant la perte d’orthogonalité grâce à l’insertion de pilotes nuls

    • 2 séquences différentes sur chaque antenne d’émission, de longueur (Nc/2)


L estimation de canal mimo en r ception

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Proposition d’un système MIMO-MC-CDMA

Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Architecture du bloc d’estimation en réception

Les systèmes sans-fil

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Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’estimation de canal MIMO (en réception)

  • La moitié des sous-porteuses pour chaque coefficient du canal Hij

    • Interpoler les pilotes manquants (interpolation linéaire, Wiener, …)

    • Une interpolation simple

      • On suppose le canal constant sur 2 sous-porteuses consécutives

      • Chaque sous-porteuse manquante est la copie de la sous-porteuse précédente


Egalisation de canal mimo

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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

1 dB d’écart

@ TEB = 10-3

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Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Egalisation de canal MIMO

  • Egalisation

    • Calcul des coefficients d’égalisation avec la méthode ZF, appliquée au cas MIMO

Performances des algorithmes de détection mono-utilisateurs dans un système sur canal de Rayleigh avec Lc = 64 = Nu (Nombre d’utilisateurs actifs) dans les contextes SISO, SIMO,MISO, et MIMO.


Egalisation de canal mimo1

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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Architecture du bloc de détection ZF MIMO en réception

Les systèmes sans-fil

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Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Egalisation de canal MIMO

  • Architecture de l’algorithme de détection ZF MIMO

    • Multiplieurs (MULT18)

    • Blocs mémoires (BRAM)

    • Division (Slices)


La synchronisation trame mimo

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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

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Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La synchronisation trame MIMO

  • Sur chacune des voies Rx, un début de trame doit être décidé

    • Synchronisation sur les deux voies indépendamment

  • Choix des séquences

    • 2 SPA à longueur maximale, soit 2 séquences complexes S1 et S2

    • Différentes sur chaque antenne TX


La synchronisation trame mimo1

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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La synchronisation trame MIMO

  • Mise en œuvre

    • 2 blocs de synchronisation SISO

      • Méthode d’autocorrélation

    • 1 mémoire pour aligner les 2 voies

  • Synchronisation validée en simulation

    • Réglage du seuil

  • Résultats d’implantation de la synchro MIMO

    • Peu complexe


R sultats d implantation du syst me mimo

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Le schéma STBC-OFDM modifié

L’estimation de canal MIMO

La synchronisation trame dans le cas MIMO

Résultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-fil

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Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Résultats d’implantation du système MIMO

  • Résultats d’implantation sur cible

    • Emetteur implanté (68% du FPGA), notamment grâce au nouveau schéma OFDM-CSTBC

    • Récepteur trop complexe pour la cible (124%)

      • Pas d’optimisation en réception, donc 2 FFT

      • Les blocs d’estimation-égalisation sont complexes

      • Changer la cible pour permettre la validation du système

  • Le système MIMO-MC-CDMA proposé a été validé en simulation


Les systèmes sans-fil hétérogène

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

  • Les systèmes sans-fil

  • La plate-forme de prototypage SUNDANCE

  • Le système MC-CDMA

  • Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

  • Conclusions et perspectives


Conclusions

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Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Conclusions

Contributions

Perspectives

Conclusions

  • Objectifs atteints

    • Finalisation du système SISO

      • Ajout de la synchronisation trame

    • Étude algorithmique et implémentation d’un système MIMO-MC-CDMA 2x2

      • Codage MIMO d’Alamouti

      • Estimation de canal MIMO / Egalisation

      • Synchronisation trame MIMO

    • Un nouveau schéma MIMO-OFDM très économique en terme de ressources

      • MIMO-OFDM ou MIMO-MC-CDMA avec codage ST

      • 1 seule IFFT quel que soit le nombre d’antennes d’émission


Conclusions1

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La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Conclusions

Contributions

Perspectives

Conclusions

  • Objectifs atteints

    • Plusieurs optimisations

      • Passage en FI optimisé en ressources (filtres polyphases)

      • Synchronisation par autocorrélation

    • 1 nouvelle application réseau (UDP)

      • Toute application communiquant par UDP peut s’interfacer avec la plate-forme

  • Aspects multi-disciplinaires de l’approche plate-forme

    • Communications numériques (système, canal)

    • Numérique (simulation, implantation sur DSP, FPGA)

    • Analogique/segment RF (simulation, mesures),

    • Réseaux (logiciels)


Communications internationales

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Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Conclusions

Contributions

Perspectives

Communications internationales

  • F. Nouvel, A. Massiani et C. Le Guellaut « Rapid Industrial Prototyping Heterogeneous Plate-form : 3G/4G Wireless Systems », Design, Automation, and Test in Europe (DATE’07), (Nice, France), avril 2007.

  • C. Le Guellaut et F. Nouvel « Design and Implementation of an Optimized MIMO-OFDM System », Proc. IEEE 10th International Symosium on Spread Spectrum Techniques and Applications (ISSSTA’08), (Bologne, Italie), 25—28 août 2008

  • C. Le Guellaut and F. Nouvel « Efficient Implementation of a MIMO-OFDM Transmitter », Proc. Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS’08), (Grenoble, France), 12—14 novembre 2008.


Conclusions et perspectives

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Conclusions et perspectives

Conclusions

Contributions

Perspectives

Conclusions et perspectives

  • Perspectives

    • Système :

      • Mesures de performances (TEB, effet de la quantification sur le TEB)

      • Autre forme d’onde

      • Codeur de canal

    • Connexion à un canal sans-fil (segment RF non finalisé)

    • Plate-forme

      • Évolution nécessaire de la plate-forme (nouveau FPGA, cœur de processeur)

        • 1 carte défaillante (CAN)

        • FPGA trop « petit » pour implanter un système MIMO

        • FPGA bridé (ports SDB non fonctionnels)

      • S’orienter vers les architectures reconfigurables, la radio-logicielle

      • Palmyre 2


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Conclusions et perspectives

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