Prototypage de Systèmes Haut Débit combinant Étalement de Spectre, Multi-porteuses et Multi-antennes

1. Prototypage de Systèmes Haut Débit combinant Étalement de Spectre, Multi-porteuses et Multi-antennes Arnaud MASSIANI Soutenance de doctorat Vendredi 25 Novembre 2005

2. Collaborations menées • Projet européen IST MATRICE (2001-2004) • Objectifs : • Validation et optimisation des techniques MC-CDMA pour la quatrième génération de réseaux cellulaires • Mise au point d’un démonstrateur matériel • Partenaires : CEA LETI, Mitsubishi Electric ITE, France Telecom R&D, IETR, Institut des Télécommunications (Portugal), Université de Surrey (Angleterre), ST Microelectronics (Suisse), Nokia (Allemagne), Université Polytechnique De Madrid (Espagne). • Projet régional PALMYRE (1999-2005) • Objectifs : • Plate-forme de développement et d’évaluation de systèmes radioélectriques • Définition de schémas de transmissions innovants dans un contexte mono/multi antennes • Partenaires : ENST Bretagne, LESTER Lorient, IETR.

3. PLAN • Contexte de l’étude • Présentation des systèmes étudiés • Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés • Application de la méthodologie de conception MCSE • Implantation des systèmes considérés • Conclusions et perspectives

4. PLAN • Contexte de l’étude • Évolutions vers la quatrième génération de systèmes de radiocommunications • Émergence d’une Radio Logicielle • Méthodes de conception • Présentation des systèmes étudiés • Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés • Application de la méthodologie de conception MCSE • Implantation des systèmes considérés • Conclusions et perspectives

5. Évolution vers la 4G • Convergence nécessaire • Capacité réseau accrue • Robustesse aux canaux de propagation • Efficacité spectrale • Flexibilité d’adaptation Mobilité Élevée 4G OFDM/CDMA ? MIMO ? … 3G UMTS IMT 2000 Modérée Réseaux locaux sans fil HIPERLAN/2 IEEE 802.11(x) Statique 1 10 100 0.1 Mbit/s Débit offert Vers les systèmes 4G 2G GSM GPRS EDGE • Développement de nouvelles techniques de Radiocommunications répondant à ces besoins

6. CAN haute fréquence large bande Filtrage RF LNA Architecture de traitements numériques Duplexeur CNA haute fréquence Transposition RF AMP • Traitement numérique primordial • Évolution vers la Radio Logicielle FPGA DSP CPU • Caractéristiques des architectures nécessaires • Importantes ressources de calcul • Hétérogénéité des architectures • Reconfigurabilité des dispositifs RAM ROM Interfaces Quelles solutions technologiques ? • Concevoir des systèmes multi-standards • Évolution de la réalisation des systèmes de radiocommunications • Étape intermédiaire : plate-forme de prototypage hétérogène • Adéquation Algorithme Architecture : Méthode de conception

7. Identification des étapes Contraintes fonctionnelles Contraintes d’exécution Contraintes d’intégration • Analyse de l’environnement de fonctionnement • Analyse du système de radiocommunications Spécifications • Dimensionnement du système • Simulation et mesure de TEB Modélisation • Méthodologie d’exploration • Optimisation de la mise en œuvre Exploration architecturale • Tests sur plate-forme hétérogène Intégration Besoins d’une démarche de conception Niveau d’abstraction Etapes de conception

8. PLAN • Contexte de l’étude • Présentation des systèmes étudiés • Principes et performances de la technique MC-CDMA • Principes et performances de la technique OSTBC/MC-CDMA • Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés • Application de la méthodologie de conception MCSE • Implantation des systèmes considérés • Conclusions et perspectives

9. f t c0,j t Tc=Td Ts Sd Ss c1,j f f 1/Ts 1/Td Données dj t cLc-1,j Td Sd IFFT f 1/Td La technique MC-CDMA • Concaténation dans le domaine fréquentiel de l’étalement par séquence directe et des modulations à porteuses multiples • Paramètres de dimensionnement • Longueur des séquences d’étalement Lc • Nombre de sous-porteuses Np

10. Modulation OFDM Conversion série-parallèle dj Entrelacement Cj • Combinaison synchrone des données des utilisateurs à l’émission • Utilisation de codes d’étalement de Walsh-Hadamard • Entrelacement fréquentiel des données étalées • Tire pleinement parti de la diversité fréquentielle du canal • Modulation OFDM • Ajout du zero-padding Np>Npu • Ajout d’un intervalle de garde Tg>max Chaîne de transmissions basée sur le MC-CDMA • Émetteur MC-CDMA en liaison descendante Émetteur MC-CDMA Vers le canal de propagation

11. Démodulation OFDM Conversion série-parallèle Egalisation Désentrelacement Cj Estimation du canal • Démodulation OFDM • Estimation des coefficients du canal • Insertion de sous-porteuses pilotes • Égalisation du canal • Différentes techniques existantes selon le compromis performances-complexité • Désentrelacement des données reçues • Désétalement selon le code de l’utilisateur considéré Chaîne de transmissions basée sur le MC-CDMA • Récepteur MC-CDMA en liaison descendante Récepteur MC-CDMA du jième utilisateur Issu du canal de propagation

12. Combinaison à gain maximal (MRC) • Performances optimales en absence de MAI • Dégradations importantes en présence de MAI • Combinaison à gain égal (EGC) • Correction de la distorsion de phase • Dégradations en présence de MAI • Combinaison à restauration d’orthogonalité (ORC) • Annulation complète de la MAI • Amplification du bruit • Combinaison à erreur quadratique moyenne minimale (MMSE) : • Compromis entre la minimisation de la MAI et la maximisation du rapport signal à bruit • Nécessite l’estimation du rapport signal à bruit pour chaque sous-porteuse Techniques d’égalisation mono-utilisateur dans le cas SISO

13. Performances de la technique MC-CDMA • Conditions de simulation • Simulation sur canal théorique de Rayleigh • Sous-porteuses décorrélées • Lc = Np = 64 • A pleine charge : Nu=64 • MMSE meilleures performances

14. -75 -80 -85 -90 -95 Enveloppe en dB -100 -105 -110 • Décodage OSTBC -115 -120 -125 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Temps en ms MRC CH1 CH2 Principe des codes en blocs temps-espaces orthogonaux • Exemple d’un système utilisant un codage d’Alamouti 2x1 • Avantages • Décodage ML linéaire simple • Rc = 1 • Diversité spatiale maximale NtxNr • Plus grande robustesse • Inconvénients • Duplication des parties RF Tx et/ou Rx • Plus grande complexité

15. f t c0,j c0,j Ts Ss c1,j c1,j f 1/Ts cLc-1,j cLc-1,j Données dj Codage OSTBC t Td Sd IFFT IFFT f 1/Td La technique OSTBC/MC-CDMA • Association de la technique MC-CDMA et des codes temps-espace OSTBC • Paramètres de dimensionnement • Longueur des séquences d’étalement Lc • Nombre de sous-porteuses Np • Nombre d’antennes à l’émission Nt en réception Nr

16. Ant. 1 Modulation OFDM Codage temps-espace Conversion série-parallèle dj Entrelacement Modulation OFDM Ant. 2 Cj • Combinaison synchrone des données des utilisateurs à l’émission • Utilisation de codes d’étalement de Walsh-Hadamard • Entrelacement fréquentiel des données étalées • Tire pleinement parti de la diversité fréquentielle du canal • Codage OSTBC • Utilisation des codes temps-espace d’Alamouti Nt=2 • Modulation OFDM • Ajout du zero-padding Np>Npu - Ajout d’un intervalle de garde Tg>max Chaîne de transmissions 2x2 basée sur le OSTBC/MC-CDMA • Émetteur OSTBC/MC-CDMA en liaison descendante Émetteur OSTBC/MC-CDMA Vers le canal de propagation

17. Ant. 2 Démodulation OFDM Décodage/ Égalisation Conversion série-parallèle Désentrelacement Ant. 1 Démodulation OFDM Cj Antenne 2 Antenne 1 Estimation du canal • Démodulation OFDM sur chaque antenne • Estimation des coefficients du canal sur chaque antenne • Insertion de sous-porteuses pilotes • Décodage/Égalisation du canal • Différentes techniques existantes selon le compromis performances-complexité • Désentrelacement des données reçues • Désétalement selon le code de l’utilisateur considéré Chaîne de transmissions 2x2 basée sur le OSTBC/MC-CDMA • Récepteur OSTBC/MC-CDMA en liaison descendante Récepteur OSTBC/MC-CDMA du jième utilisateur Issu du canal de propagation

18. Combinaison à gain maximal (MRC) • Performances optimales en absence de MAI • Dégradations importantes en présence de MAI • Combinaison à gain égal (EGC) • Correction de la distorsion de phase • Dégradations en présence de MAI • Combinaison à restauration d’orthogonalité (ORC) • Annulation complète de la MAI • Probabilité d’amplification du bruit très faible • Combinaison à erreur quadratique moyenne minimale (MMSE) : • Compromis entre la minimisation de la MAI et la maximisation du rapport signal à bruit • Nécessite l’estimation du rapport signal à bruit pour chaque sous-porteuse sur chaque antenne Techniques d’égalisation mono-utilisateur dans le cas MIMO

19. Performances de la technique OSTBC/MC-CDMA • Conditions de simulation • Simulation sur canal théorique de Rayleigh • Sous-porteuses décorrélées • Système MIMO 2x2 • Lc = Np = 64 • A pleine charge : Nu=64 • ORC & MMSEMeilleures performances • Utilisation des techniques ORC et MMSE

20. PLAN • Contexte de l’étude • Présentation des systèmes étudiés • Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés • Étude de l’impact d’un format de données en virgule fixe • Éléments de complexité • Application de la méthodologie de conception MCSE • Implantation des systèmes considérés • Conclusions et perspectives

21. Configurations étudiées Dimensionnement des systèmes • Scénario de propagation étudié • Cas du canal BRAN A • Vitesse de déplacement de 1m/s

22. Fonction d’étalement de spectre • Probabilité d’amplitude maximale très faible • Réception du signal • Saturation des données excédant le format de données • Filtrage du bruit à fort RSB Impact du format fixe de données • Impact sur la dynamique des données • Diminution du nombre de bits attribués à la partie entière • Pour Lc= 32 ou 64, nMSB = 5 bits

23. Égalisation ORC • Évanouissements profonds ORC-FIX5.6 • nLSB = 6 bits Meilleurs compromis Impact du format fixe de données • Impact sur le pas de quantification

24. Égalisation MMSE • 21 dB de dynamique • Canal de Rayleigh • Simulation Nu=Np=Lc=64 • nLSB = 7 bits Meilleurs compromis • ORC Meilleur compromis performance/complexité MMSE-FIX5.7 • nMSB = 5 bits, nLSB = 6 bits Impact du format fixe de données • Impact sur le pas de quantification

25. IFFT/FFT Égalisation THR/THR-1 Taille Complexité SISO Taille Complexité Complexité Complexité MIMO Éléments de complexité des systèmes MC-CDMA et OSTBC/MC-CDMA • Nombre d’opérations • Occupation mémoire en terme de places occupées • Traitement adapté à une mise en œuvre sur FPGA

26. PLAN • Contexte de l’étude • Présentation des systèmes étudiés • Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés • Application de la méthodologie de conception MCSE • Présentation de la Méthodologie pour la Conception des Systèmes Électroniques (MCSE) • Application de la méthodologie de conception MCSE • Implantation des systèmes considérés • Conclusions et perspectives

27. Simulation fonctionnelle Modélisation fonctionnelle Spécifications système Modélisation fonctionnelle Attributs fonctionnels Virgule flottante Virgule fixe Conception architecturale Modélisation de l’architecture Modélisation des interfaces Analyse de la distribution Simulation architecturale Attributs architecturaux Attributs architecturaux C pour DSP VHDL pour FPGA Interfaces Génération de codes Définition des interfaces Description détaillée Génération des codes Attributs du prototype Portage de la solution Tests et validation Portage sur plate-forme hétérogène Méthodologie pour la Conception des Systèmes Électroniques • Méthodologie développée au sein de l’Université Polytechnique de Nantes • Supportée par l’outil Cofluent Studio

28. Modèle structurel • Identification et modélisation des fonctions principales des systèmes • Identification et modélisation des médias de communications • Identification des paramètres génériques du modèle structurel E1 F3 F1 F2 P1 P2 Modélisation fonctionnelle SF1 SF2 Spécifications système E2 V1 Structurel Comportemental Algorithmique • Légende • Fonction F5 F4 P4 P3 SF1 SF2 Sous Fonction Port de communication V2 Variable Évènement Modélisation fonctionnelle

29. Op Opération • Légende • Instant initial Modélisation fonctionnelle Spécifications système Boucle finie ou infinie Init Condition d’activation F1 P1 P2 Règle de composition Action Comportemental Structurel Algorithmique Op1 Op2 Agrandissement Modélisation fonctionnelle • Modèle comportemental • Identification et modélisation du comportement des fonctions • Identification des paramètres génériques du modèle comportemental

30. Modélisation fonctionnelle Spécifications système • Description gros grain des opérations • Simulation et validation de l’algorithme • Modèle fonctionnel indépendant de l’architecture cible • Codes complexes • Description grain fin des opérations • Simulation et validation de l’algorithme • Connaissance de l’architecture cible • Codes simples Comportemental Algorithmique Structurel Op i FFT Add Modélisation fonctionnelle • Modèle algorithmique • Description des opérations (C, SystemC, VHDL) • Prise en compte des paramètres génériques du modèle algorithmique • Utilisation d’une description fonctionnelle à gros grain pour parcourir le flot de conception

31. Modélisation fonctionnelle Simulation fonctionnelle Spécifications système Virgule fixe Comportemental Algorithmique Structurel Virgule flottante Modélisationfonctionnelle • Simulation fonctionnelle • Prise en compte des attributs fonctionnels et des paramètres génériques

32. Légende • Processeur Software/Hardware DSP1 FPGA1 FPGA2 M Modélisation fonctionnelle P Mémoires Conception architecturale Nœud de communication DSP2 M • Définition des attributs de l’architecture décrite • Processeurs • Temps de cycle • Concurrence • Média de communication • Temps d’émission, de réception • Concurrence • Capacité • Type de média de communication • Mémoires • Temps de cycle Conception architecturale • Modèle architectural • Modélisation de l’architecture cible • Détermination des attributs Spécifications système

33. Répartition des fonctions sur les processeurs • Répartition des opérations sur les différentes architectures cibles • Prise en charge des médias de communications selon trois niveaux de raffinement • Abstraction totale • Degré de concurrence et temps de transferts de données • Instanciation des médias de communications Modélisation fonctionnelle Conception architecturale Conception architecturale Spécifications système

34. Modélisation fonctionnelle Conception architecturale Conception architecturale • Simulation conjointe • Prise en compte des attributs fonctionnels et architecturaux • Influence de la répartition des opérations • Détermination de l’activité des architectures Spécifications système

35. Génération de codes • Génération des entités correspondant aux opérations du modèle fonctionnel • Génération de la hiérarchie • Génération des interfaces de communications Modélisation fonctionnelle Conception architecturale C pour DSP VHDL pour FPGA Interfaces Génération de codes Génération de codes pour cibles FPGA Spécifications système

36. Modélisation fonctionnelle Conception architecturale C pour DSP VHDL pour FPGA Interfaces Génération de codes Portage sur plate-forme hétérogène Portage sur plate-forme hétérogène • Avantages • Complexité équivalente • Fréquences de fonctionnement quasiment identiques • Prise en compte des interfaces de communications • Génération automatique et implantation de deux systèmes • Un émetteur MC-CDMA • Description fonctionnelle réalisée à gros grain • Instanciation d’IP VHDL développées au préalable Spécifications système • Inconvénients • Besoin d’un environnement dédié au développement des entités VHDL • Valeur ajoutée restreinte

37. Modélisation fonctionnelle Conception architecturale C pour DSP VHDL pour FPGA Interfaces Génération de codes Portage sur plate-forme hétérogène Portage sur plate-forme hétérogène • Génération automatique et implantation de deux systèmes • Fonctions de l’émetteur MC-CDMA (QPSK et Étalement de spectre) • Description fonctionnelle réalisée à grain plus fin • Écriture des opérations élémentaires uniquement • Avantages • Complexité et fréquences de fonctionnement quasiment identiques • Prise en compte des interfaces de communications • Écriture de code C, SystemC et/ou VHDL réduit Spécifications système • Inconvénients • Prise en compte de l’architecture cible dans le modèle fonctionnel

38. PLAN • Contexte de l’étude • Présentation des systèmes étudiés • Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés • Application de la méthodologie de conception MCSE • Implantation des systèmes considérés • Présentation de la carte de prototypage et de l’environnement de test • Résultats d’implantation du système MC-CDMA étudié • Résultats d’implantation du système OSTBC/MC-CDMA étudié • Conclusions et perspectives

39. Partie émission • Partie réception Description de la plate-forme de prototypage Sundance

40. FPGA Interface Station de travail Interface Host/Modem TX DSP CNA SDB SDB Fichier binaire Fichier binaire FPGA Interface Interface Host/Modem RX DSP CAN SDB SDB Environnement de test Émetteur Récepteur

41. Paramètres des Modems

42. Attente paramétrable entre symboles • Attente paramétrable entre trames • 1 symbole d’estimation • 6 symboles de données • Configuration PALMYRE • Np=256 • Npu=192 • Lc=32 Représentation du signal MC-CDMA • Signal temporel • 7 symboles par trame

43. 20 MHz de bande • FI à 30 MHz • Atténuation des lobes secondaires • Images symétriques Représentation du signal MC-CDMA • Signal analogique en fréquence intermédiaire

44. Cas du système MC-CDMA : Débit théorique des systèmes par utilisateur Npu :Nombre de sous-porteuses utiles. Np :Nombre de sous-porteuses. m : Nombre de bits transmis par symboles complexes. Lc : Longueur des codes d’étalement. Ts : Durée du symbole OFDM. Tg : Durée de l’intervalle de garde. Fs : Fréquence de fonctionnement du système. Configuration PALMYRE => Du909 Kbit/sec • Cas du système OSTBC/MC-CDMA : • Codage OSTBC utilisé pour renforcer la robustesse du système global • Débit théorique identique au système MC-CDMA

45. Mesure de débit du système MC-CDMA • Cas du système numérique en bande de base • Cas du système analogique en fréquence intermédiaire

46. MIMO SISO Mesure de débit du système OSTBC/MC-CDMA • Cas du système numérique en bande de base • Baisse de débit due aux contraintes d’implantation des deux FFT sur notre cible FPGA • Mode paquet et non flot de données

47. PLAN • Contexte de l’étude • Présentation des systèmes étudiés • Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés • Application de la méthodologie de conception MCSE • Implantation des systèmes étudiés • Conclusions et perspectives • Bilan des travaux présentés • Perspectives de recherche

48. Conclusion (I) • Étude des modulations combinant l’étalement de spectre et les porteuses multiples • Analyse de la technique MC-CDMA • Étude de l’extension de la technique MC-CDMA au cas des systèmes MIMO • Analyse de la technique OSTBC/MC-CDMA • Optimisation de la mise en œuvre de systèmes MC-CDMA et OSTBC/MC-CDMA • Étude de la complexité de mise en œuvre en nombre d’opérations et en occupation mémoire • Étude du format de données en virgule fixe • Optimisation de la technique de détection ORC

49. Conclusion (II) • Mise en œuvre de la méthodologie de conception MCSE • Démarche de modélisation et de simulation • Virgule flottante • Virgule fixe • Exploration architecturale • Génération automatique et intégration de codes pour FPGA • Mise en œuvre d’un système MC-CDMA paramétrable au sein d’une architecture hétérogène • Implantation sur DSP et FPGA • Mesure de débit en numérique et en analogique • Analyse des performances d’intégration • Mise en œuvre d’un système OSTBC/MC-CDMA paramétrable au sein d’une architecture hétérogène • Implantation sur DSP et FPGA • Mesure de débit en numérique • Analyse des performances d’intégration

50. Perspectives • Extension de la conception du système MC-CDMA • Ajouts des fonctions de synchronisation temporelle • Extension de la conception du système OSTBC/MC-CDMA • Ajouts des fonctions de passage en fréquence intermédiaire • Ajouts des étages de conversions et de transmission analogique • Intégrer les modems sur la plate-forme PALMYRE • Assemblage avec la partie RF de l’ENST Bretagne • Optimisation de la phase de génération de codes selon l’approche MCSE • Développement de primitives adaptées pour DSP • Étudier la génération de code VHDL pour un modèle fonctionnel à grain fin • Identifier les points bloquants de la génération de code VHDL à partir d’un modèle fonctionnel à gros grain • Étudier les échanges possibles entre MCSE et Matlab/Simulink • Profiter du flot de conception de MCSE • Profiter de la souplesse de Matlab/Simulink