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

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

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  1. 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

  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 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

  3. 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 • 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

  4. 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 • Appareils communicants dédiés à certains services (ou réseaux) • Mobile • Réseau cellulaire • Téléphonie, SMS • PC • Réseau local (LAN) • Internet par réseau téléphonique fixe (RTC, RNIS)

  5. 3G 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

  6. UMTS 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

  7. 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 • 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

  8. (1) :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

  9. 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 • La plate-forme de prototypage SUNDANCE • Le système MC-CDMA • Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA • Conclusions et perspectives

  10. 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 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

  11. 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 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

  12. 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 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

  13. 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 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

  14. La technique MC-CDMA 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

  15. La technique MC-CDMA 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

  16. La technique MC-CDMA 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

  17. La technique MC-CDMA 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

  18. La technique MC-CDMA 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

  19. La technique MC-CDMA 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 »

  20. La technique MC-CDMA 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

  21. La technique MC-CDMA 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

  22. La technique MC-CDMA 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

  23. La technique MC-CDMA 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).

  24. La technique MC-CDMA 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

  25. La technique MC-CDMA 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)

  26. La technique MC-CDMA 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

  27. La technique MC-CDMA 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

  28. La technique MC-CDMA 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

  29. La technique MC-CDMA 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

  30. La technique MC-CDMA 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

  31. Les techniques MIMO 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

  32. Les techniques MIMO 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

  33. Les techniques MIMO 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

  34. Les techniques MIMO 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

  35. Les techniques MIMO 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

  36. Les techniques MIMO 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

  37. Les techniques MIMO 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 • 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

  38. Les techniques MIMO 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 • 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

  39. Les techniques MIMO 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 • Or, en utilisant la propriété , où : • Alors :

  40. Les techniques MIMO 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 • 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

  41. Les techniques MIMO 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 • Architecture du codeur CSTBC proposé • Besoin en BRAM, slices • Compatible STBC, CSTBC

  42. Les techniques MIMO 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 • 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

  43. Les techniques MIMO 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 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

  44. Les techniques MIMO 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 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

  45. Les techniques MIMO 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 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)

  46. Les techniques MIMO 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 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 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

  47. Les techniques MIMO 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 1 dB d’écart @ TEB = 10-3 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 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.

  48. Les techniques MIMO 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 de détection ZF MIMO en réception 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 Egalisation de canal MIMO • Architecture de l’algorithme de détection ZF MIMO • Multiplieurs (MULT18) • Blocs mémoires (BRAM) • Division (Slices)

  49. Les techniques MIMO 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 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

  50. Les techniques MIMO 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 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

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