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Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène Christophe Le Guellaut Thèse de doctorat – INSA de Rennes 26 janvier 2009 Directeur de.

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1 Prototypage dun 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 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 2 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 La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système MC-CDMA Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA Conclusions et perspectives

3 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 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 Lévolution 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 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 4 Lévolution 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) Lévolution 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

5 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 5 Lévolution 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 Internet (1) : WPAN : Wireless Personnal Access Network (2) : WLAN : Wireless Local Access Network 3G 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 Lévolution des systèmes sans-fil Objectifs de la thèse

6 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 6 Lévolution des systèmes sans-fil Architectures reconfigurables statiquement (architecture paramétrable) Nécessite larrêt 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 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 Lévolution des systèmes sans-fil Objectifs de la thèse Multiplication des standards = multiplication des puces intégrées Terminal « universel » sur une architecture adéquate (reconfigurable)

7 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 7 Objectifs de la thèse Les thématiques Nouvelle forme donde (4G), communes aux réseaux locaux et cellulaires maximisant Le débit Le nombre dutilisateurs La fiabilité de la liaison Les formes donde de type OFDM ou MIMO-OFDM (LTE, Wimax) fortement pressenties Plate-forme multi-standards pour tester différentes formes donde Lévolution 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

8 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 8 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 destimation de canal, de synchronisation dans le cas MIMO Sinterfaçer avec un canal : Canal réel + segment RF associé Simulateur de canal Enrichir la plate-forme avec de nouvelles applications (1) : PlAte-forme de déveLoppeMent dévaluation 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 Lévolution des systèmes sans-fil Objectifs de la thèse

9 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 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 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

10 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 10 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) Canal Tx Rx DSPFPGA CAN/CNA 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

11 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 11 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 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 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

12 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 12 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 Récepteur DSP (SMT375) TI C6701 à 200 MHz (virgule flottante) FPGA (SMT398) Virtex-2 à 2 millions de portes CNA (SMT380) 12 bits non 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 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 13 La plate-forme de prototypage Le canal (filaire) utilisé Amplificateur 20 dB Atténuateur variable 0 – 60 dB Filtre démission (passe-bas, f c = 50 MHz) 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 Horloge Dautres canaux à considérer Simulateur de canal sans-fil (logiciel ou matériel) Canal « réel » (rajout dun segment RF)

14 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 14 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 Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

15 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 15 1 symbole MC-CDMA La technique MC-CDMA Combinaison de lOFDM et du CDMA Le CDMA étale les données daprès le facteur détalement Lc LOFDM multiplexe les données sur Nc sous-porteuses Accès multiple provient du code attribué à chaque utilisateur Exemple : Lc=16, Nc = 64 et 3 utilisateurs ème utilisateur 2 ème utilisateur 1 er utilisateur Sous-porteuses t Codes … ……… La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

16 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 16 Les paramètres systèmes Forme donde 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 ModeSISO Formes d onde CDMA, OFDM, MC- CDMA Bande25 MHz ConstellationMDP4 - MAQ16 Gain d é talement Lc Nombre de points Nc (FFT) Nombre d é chantillons (Ng) de l intervalle de garde (IG) Nombre de symboles par trame Nombre de symboles d estimation par trame 1 Nombre de symboles de synchronisation par trame 1 La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

17 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 17 La chaîne démission-réception CNABB FIIGIFFTPAD Entrelaceur Étalement Map. Insertion Estimation Insertion Synchro Canal SISO CANFI BB Synchro IG -1 FFTPAD -1 Égalisation Entrelac. -1 Étalement -1 Map. -1 Estimation du canal La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

18 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 18 Trames MC-CDMA La chaîne démission-réception Prototype fonctionnel Débits de lordre de 20 Mbit/s Latence de quelques sec. lors de la transmission dun flux vidéo Visualisation des erreurs de transmission Améliorations envisageables Synchronisation fréquentielle Canal sans-fil Autre forme donde Symboles destimation et de synchronisation La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

19 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 19 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 lintervalle de garde OFDM_WAIT Entre les trames, des pauses FRAME_WAIT Transmission par flux continu ou par « burst » La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

20 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 20 Lestimation de canal Avant le passage au MIMO Estimation de canal SISO Synchronisation trame SISO Lestimation de canal pour les systèmes multi-porteuses Estimation des coefficients du canal sur chaque sous-porteuse (fréquentielle) A lémission, 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 La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

21 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 21 Lestimation de canal à lémission La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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 Insertion de pilotes dans le flux de données Superposition des pilotes aux données (codage) Complexité Multiplexage des pilotes avec les données (1 symbole – ex. : ) Insertion de pilotes sur toutes les sous-porteuses 1Nc … … t Pilotes Sous- porteuses

22 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 22 Lestimation de canal en réception Comparaison du symbole reçu au symbole local Simple à mettre en œuvre Calcul des coefficients dégalisation Détection mono-utilisateur (MRC, EGC, ZF, MMSE) Détection multi-utilisateurs Technique de détectionCoefficient dégalisationCommentaires Combinaison à gain maximal (MRC) Optimal pour le BBAG Combinaison à gain égal (EGC) Corrige les distorsions de phase Zero-Forcing (ZF) ou ORCAmplifie le bruit pour des H k faibles Erreur quadratique moyenne minimal (MMSE) Estimation du RSB γ k La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

23 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 23 Lestimation de canal Zero-Forcing (ZF) utilisé pour son compromis performance/complexité La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation du système SISO 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 dutilisateurs actifs). 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

24 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 24 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 dune séquence spécifique dans le flux de données Un symbole complet de synchro, inséré en temporel après lIFFT IGIFFT Insertion Synchro Domaine fréquentiel Domaine temporel La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

25 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 25 La synchronisation trame Séquence pseudo-aléatoire (SPA) à longueur maximale Autocorrélation forte Intercorrélation faible La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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 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 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 26 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 lautocorrélation La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

27 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 27 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 technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

28 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 28 La synchronisation trame Influence de lintervalle de garde (IG) sur la corrélation LIG est un préfixe cyclique LIG se rajoute sur le symbole de synchro La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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 Corrélateur (A) S1S1 S1S1 IG (A) (B) S1S1 S1S1 IG (B) (C) S1S1 S1S1 IG (C) (D) S1S1 S1S1 IG (D) LIG provoque un effet palier sur le maximum dautocorrélation (Ng pics) Le palier permet de renforcer la synchronisation en évitant les fausses alarmes

29 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 29 La synchronisation trame Effet du seuillage : Le seuillage provoque une avance de synchronisation La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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 seuil C>seuil Comparateur à seuil Corrélateur Lavance de synchro est absorbée par lIG et modifie la placement de la fenêtre de FFT (rotation de phase) La rotation de phase sera compensée lors de légalisation La synchronisation trame a été validée et a permis de rendre TX et RX indépendants

30 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 30 Résultats dimplémentation du système SISO Résultats dimplantation 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 dHadamard) Transposition en FI Estimation/égalisation Passage à une forme donde plus complexe peut être délicat pour limplantation sur la cible La technique MC-CDMA Les paramètres systèmes La chaîne démission réception Lestimation de canal La synchronisation trame Résultats dimplémentation 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

31 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 31 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 Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

32 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 32 Les techniques MIMO Plusieurs antennes à lémission et à la réception (2x2, 4x2, 2x4, 4x4, etc.) Une nouvelle dimension : lespace Multiplexage spatial pour améliorer le débit (BLAST) Diversité spatiale pour fiabiliser la liaison : codage temps-espace en bloc, en treillis (STBC, STTC) On sintéresse aux schémas MIMO 2x2 utilisant la diversité spatiale Améliorer la robustesse de la liaison Schéma « simple » à implémenter Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

33 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 33 Les techniques MIMO Un schéma de diversité spatiale pour MIMO 2x2 : le schéma dAlamouti Schéma de codage en bloc, simple (, (.)* ), orthogonal Rendement du code R = 1 (maximal) Récepteur simple Combinaison de lAlamouti 2x2 avec lOFDM SFBC-OFDM : codage des sous-porteuses dun symbole OFDM STBC-OFDM : codage des symboles OFDM Applications de type indoor Diversité spatiale uniquement Ant. 1 Ant. 2 [t+Ts] [t] Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

34 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 34 Proposition dun schéma démission MIMO Canal MIMO CNABB FIIGIFFT PAD Entrelaceur Étalement Map. Insertion Estimation Synchro STBC CNABB FIIGIFFT PAD Synchro CANFI BB Synchro IG -1 FFTPAD -1 STBC -1 Entrelac. -1 Étalement -1 Map. -1 CANFI BBIG -1 FFTPAD -1 Estimation du canal Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

35 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 35 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 destimation Avantage Simplicité de mise en œuvre et validation rapide Inconvénient Non optimal Perte en débit utile ModeMIMO Formes d onde MIMO- MC-CDMA Bande25 MHz ConstellationMDP4 / MAQ16 Gain d é talement Lc Nombre de points Nc (FFT) Intervalle de garde Ng Nombre de symboles par trame Nombre de symboles d estimation par trame 2 Nombre de symboles de synchronisation par trame 2 Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

36 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 36 Étude dun nouveau schéma démission 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 Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

37 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 37 Étude dun nouveau schéma démission 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 : lOFDM 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 dantennes démission Simple à mettre en œuvre Schéma en réception inchangé Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

38 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 38 Étude dun nouveau schéma démission MIMO Démonstration pour 2 antennes Tx (Alamouti) : Soit la matrice de codage dAlamouti codant les symboles fréquentiels X 1 et X 2 : Les symboles codés STBC sont transformés par IFFT : Ant. 1 Ant. 2 [t+Ts] [t] Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

39 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 39 Étude dun nouveau schéma démission MIMO Or, en utilisant la propriété, où : Alors : Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

40 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 40 Étude dun nouveau schéma démission MIMO On obtient un nouveau schéma démission OFDM-CSTBC Matrice de codage STBC modifiée (CSTBC) pour léquivalence avec le schéma classique Exemple pour 2 antennes démission : Schéma classique STBC-OFDM avec codage dAlamouti Nouveau schéma OFDM-CSTBC avec codage dAlamouti Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

41 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 41 Étude dun nouveau schéma démission MIMO Architecture du codeur CSTBC proposé Besoin en BRAM, slices Compatible STBC, CSTBC Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

42 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 42 Étude dun nouveau schéma démission 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 dun facteur 2 Valide pour tout système STBC- OFDM 1 seule IFFT quel que soit le nombre dantennes démission Non applicable en réception Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

43 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 43 La chaîne démission-réception MIMO initiale Canal MIMO CNABB FIIGIFFT PAD Entrelaceur Étalement Map. Insertion Estimation Synchro STBC CNABB FIIGIFFT PAD Synchro CANFI BB Synchro IG -1 FFTPAD -1 STBC -1 Entrelac. -1 Étalement -1 Map. -1 CANFI BBIG -1 FFTPAD -1 Estimation du canal Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

44 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 44 La chaîne démission-réception MIMO proposée (finale) Canal MIMO CNABB FIIG Entrelaceur Étalement Map. Insertion Estimation Synchro PAD CNABB FIIG Synchro CANFI BB Synchro IG -1 FFTPAD -1 STBC -1 Entrelac. -1 Étalement -1 Map. -1 CANFI BBIG -1 FFTPAD -1 Estimation du canal IFFTCSTBC Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

45 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 45 Lestimation de canal MIMO (à lémission) Lestimation du canal vue précédemment (SISO) nest plus valable La superposition des pilotes en réception créée de linterférences entre pilotes Choix de la séquence pilote Motif pair/impair empêchant la perte dorthogonalité grâce à linsertion de pilotes nuls 2 séquences différentes sur chaque antenne démission, de longueur (Nc/2) Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

46 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 46 Lestimation de canal MIMO (en réception) La moitié des sous-porteuses pour chaque coefficient du canal H ij 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 Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation du système MIMO Architecture du bloc destimation 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

47 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 47 Egalisation de canal MIMO Egalisation Calcul des coefficients dégalisation avec la méthode ZF, appliquée au cas MIMO Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation du système MIMO Performances des algorithmes de détection mono-utilisateurs dans un système sur canal de Rayleigh avec Lc = 64 = Nu (Nombre dutilisateurs actifs) dans les contextes SISO, SIMO,MISO, et 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 1 dB TEB = 10 -3

48 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 48 Egalisation de canal MIMO Architecture de lalgorithme de détection ZF MIMO Multiplieurs (MULT18) Blocs mémoires (BRAM) Division (Slices) 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 Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation du système MIMO

49 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 49 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 S 1 et S 2 Différentes sur chaque antenne TX Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

50 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 50 La synchronisation trame MIMO Mise en œuvre 2 blocs de synchronisation SISO Méthode dautocorrélation 1 mémoire pour aligner les 2 voies Synchronisation validée en simulation Réglage du seuil Résultats dimplantation de la synchro MIMO Peu complexe Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

51 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 51 Résultats dimplantation du système MIMO Résultats dimplantation sur cible Emetteur implanté (68% du FPGA), notamment grâce au nouveau schéma OFDM-CSTBC Récepteur trop complexe pour la cible (124%) Pas doptimisation en réception, donc 2 FFT Les blocs destimation- égalisation sont complexes Changer la cible pour permettre la validation du système Le système MIMO-MC-CDMA proposé a été validé en simulation Les techniques MIMO Proposition dun système MIMO-MC-CDMA Le schéma STBC-OFDM modifié Lestimation de canal MIMO La synchronisation trame dans le cas MIMO Résultats dimplémentation 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

52 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 52 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

53 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 53 Conclusions Objectifs atteints Finalisation du système SISO Ajout de la synchronisation trame Étude algorithmique et implémentation dun système MIMO-MC-CDMA 2x2 Codage MIMO dAlamouti 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 dantennes démission Conclusions Contributions 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

54 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 54 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 sinterfacer avec la plate-forme Aspects multi-disciplinaires de lapproche plate-forme Communications numériques (système, canal) Numérique (simulation, implantation sur DSP, FPGA) Analogique/segment RF (simulation, mesures), Réseaux (logiciels) Conclusions Contributions 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

55 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 55 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 (DATE07), (Nice, France), avril 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 (ISSSTA08), (Bologne, Italie), 2528 août 2008 C. Le Guellaut and F. Nouvel « Efficient Implementation of a MIMO-OFDM Transmitter », Proc. Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS08), (Grenoble, France), 1214 novembre 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 Contributions Perspectives

56 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 56 Conclusions et perspectives Perspectives Système : Mesures de performances (TEB, effet de la quantification sur le TEB) Autre forme donde 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) Sorienter vers les architectures reconfigurables, la radio-logicielle Palmyre 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 Conclusions Contributions Perspectives

57 Christophe Le Guellaut – IETR INSA Prototypage dun système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène 57 MERCI DE VOTRE ATTENTION 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


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