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

Plan de la 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 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

La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système 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 L’évolution des systèmes sans-fil Objectifs de la thèse Les systèmes sans-fil La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système MC-CDMA Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-fil 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)

L’évolution des systèmes sans-fil 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 Internet 3G (1) : WPAN : Wireless Personnal Access Network (2) : WLAN : Wireless Local Access Network

L’évolution des systèmes sans-fil 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 UMTS GSM

Objectifs de la thèse Les thématiques 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

Objectifs de la thèse Travaux antérieurs à la thèse Contexte Objectifs 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 (1) : PlAte-forme de déveLoppeMent d’évaluation des sYstèmes Radio-Electriques

La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système 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 plate-forme de prototypage Les systèmes sans-fil La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système MC-CDMA Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage Les systèmes sans-fil La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système MC-CDMA Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA Conclusions et perspectives La plate-forme de prototypage La plate-forme de prototypage La plate-forme Sundance 1 émetteur  PC + cartes Sundance (TX) 1 canal  composants analogiques 1 récepteur  PC + cartes Sundance (RX) Des solutions Sundance modulaires 1 carte mère (relié au PC par port PCI) Des cartes filles (DSP, FPGA, convertisseurs) Tx Rx Canal DSP FPGA CAN/CNA

La plate-forme de 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 La plate-forme de prototypage Emetteur DSP (SMT335) TI C6201 à 200 MHz (virgule fixe) FPGA (SMT398) Virtex-2 à 2 millions de portes CNA (SMT388) 14 bits non signés @ 130 MHz Ports de communications Sundance digital bus (SDB) à 200 Mo/s Communication port (CP) à 20 Mo/s Partitionnement du système : DSP : configuration du modem FPGA : schéma de transmission Sortie du CNA signal MC-CDMA (B=25 MHz) FI1 = 12,5 MHz, ou 37,5 MHz

La plate-forme de 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 La plate-forme de prototypage Récepteur DSP (SMT375) TI C6701 à 200 MHz (virgule flottante) FPGA (SMT398) Virtex-2 à 2 millions de portes CNA (SMT380) 12 bits non signés @ 130 MHz Ports de communications Sundance digital bus (SDB) à 200 Mo/s Communication port (CP) à 20 Mo/s Partitionnement du système : DSP : configuration du modem FPGA : schéma de réception

La plate-forme de 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 La plate-forme de prototypage Le canal (filaire) utilisé Amplificateur 20 dB Atténuateur variable 0 – 60 dB Filtre d’émission (passe-bas, fc = 50 MHz) D’autres canaux à considérer Simulateur de canal sans-fil (logiciel ou matériel) Canal « réel » (rajout d’un segment RF) Horloge

La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système MC-CDMA 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

La technique MC-CDMA Combinaison de l’OFDM et du 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 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 1 symbole MC-CDMA Codes 1 2 3 4 3ème utilisateur 2ème utilisateur 1er utilisateur 1 2 3 4 1 2 3 4 … … … … Sous-porteuses 1 16 32 48 64

Les paramètres systèmes 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 Mode SISO Formes d’onde CDMA, OFDM, MC-CDMA Bande 25 MHz Constellation MDP4 - MAQ16 Gain d’étalement Lc 2 - 32 Nombre de points Nc (FFT) 64 - 256 Nombre d’échantillons (Ng) de l’intervalle de garde (IG) 0 - 100 Nombre de symboles par trame 6 - 20 Nombre de symboles d’estimation par trame 1 Nombre de symboles de synchronisation par trame

La chaîne d’émission-réception 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

La chaîne d’émission-réception 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 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 Trames MC-CDMA Symboles d’estimation et de synchronisation

Les paramètres systèmes 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 »

L’estimation de canal Avant le passage au MIMO 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

L’estimation de canal à l’émission 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 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) 1 Nc … t Pilotes 2 5 6 3 4 Sous-porteuses Insertion de pilotes sur toutes les sous-porteuses

L’estimation de canal en réception 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 Technique de détection Coefficient d’égalisation Commentaires Combinaison à gain maximal (MRC) Optimal pour le BBAG Combinaison à gain égal (EGC) Corrige les distorsions de phase Zero-Forcing (ZF) ou ORC Amplifie le bruit pour des Hk faibles Erreur quadratique moyenne minimal (MMSE) Estimation du RSB γk

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 Zero-Forcing (ZF) utilisé pour son compromis performance/complexité Performances ZF et MMSE proches MF : Matched Filter (filtre adapté) Performances des algorithmes de détection mono-utilisateurs pour un système MC-CDMA non codé sur canal de Rayleigh avec Lc = 16 = Nu (Nombre d’utilisateurs actifs).

La synchronisation trame La technique MC-CDMA 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 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 IG IFFT Insertion Synchro Domaine fréquentiel Domaine temporel

La synchronisation trame 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)

La synchronisation trame 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

La synchronisation trame 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 Y a-t-il vraiment besoin de diviser le symbole en deux demi identiques?

La synchronisation trame 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 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 S1 IG (A) (D) (C) (B) S1 IG (B) Corrélateur S1 IG (C) (A) S1 IG (D) L’IG provoque un effet palier sur le maximum d’autocorrélation (Ng pics) Le palier permet de renforcer la synchronisation en évitant les fausses alarmes

La synchronisation trame 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 Effet du seuillage : Le seuillage provoque une avance de synchronisation seuil C>seuil Comparateur à seuil Corrélateur 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

Résultats d’implémentation du système SISO 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

La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système MC-CDMA 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

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

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 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 Ant. 1 Ant. 2 [t+Ts] [t]

Proposition d’un schéma d’émission MIMO 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

Les paramètres du système MIMO proposé 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 Mode MIMO Formes d’onde MIMO- MC-CDMA Bande 25 MHz Constellation MDP4 / MAQ16 Gain d’étalement Lc 2 - 32 Nombre de points Nc (FFT) 64 - 256 Intervalle de garde Ng 0 - 100 Nombre de symboles par trame 6 - 20 Nombre de symboles d’estimation par trame 2 Nombre de symboles de synchronisation par trame

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO 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

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO 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

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO 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

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO 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 :

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO 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

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO 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

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO 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

La chaîne d’émission-réception MIMO initiale 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

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

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

L’estimation de canal MIMO (en réception) 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 (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 Architecture du bloc d’estimation en réception

Egalisation de canal MIMO 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 Egalisation de canal MIMO Egalisation Calcul des coefficients d’égalisation avec la méthode ZF, appliquée au cas MIMO 1 dB d’écart @ TEB = 10-3 Performances des algorithmes de détection mono-utilisateurs dans un système sur canal de Rayleigh avec Lc = 64 = Nu (Nombre d’utilisateurs actifs) dans les contextes SISO, SIMO,MISO, et MIMO.

Egalisation de canal MIMO 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 Egalisation de canal MIMO Architecture du bloc de détection ZF MIMO en réception Architecture de l’algorithme de détection ZF MIMO Multiplieurs (MULT18) Blocs mémoires (BRAM) Division (Slices)

La synchronisation trame MIMO 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

La synchronisation trame MIMO 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

Résultats d’implantation du système MIMO 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 Résultats d’implantation du système MIMO Résultats d’implantation sur cible Emetteur implanté (68% du FPGA), notamment grâce au nouveau schéma OFDM-CSTBC Récepteur trop complexe pour la cible (124%) Pas d’optimisation en réception, donc 2 FFT Les blocs d’estimation-égalisation sont complexes Changer la cible pour permettre la validation du système Le système MIMO-MC-CDMA proposé a été validé en simulation

La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système 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 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 Objectifs atteints Finalisation 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 Conclusions Contributions Perspectives Conclusions Objectifs atteints Finalisation du système SISO Ajout de la synchronisation trame Étude algorithmique et implémentation d’un système MIMO-MC-CDMA 2x2 Codage MIMO d’Alamouti Estimation de canal MIMO / Egalisation Synchronisation trame MIMO Un nouveau schéma MIMO-OFDM très économique en terme de ressources MIMO-OFDM ou MIMO-MC-CDMA avec codage ST 1 seule IFFT quel que soit le nombre d’antennes d’émission

Conclusions Objectifs atteints 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 Conclusions Objectifs atteints Plusieurs optimisations Passage en FI optimisé en ressources (filtres polyphases) Synchronisation par autocorrélation 1 nouvelle application réseau (UDP) Toute application communiquant par UDP peut s’interfacer avec la plate-forme Aspects multi-disciplinaires de l’approche plate-forme Communications numériques (système, canal) Numérique (simulation, implantation sur DSP, FPGA) Analogique/segment RF (simulation, mesures), Réseaux (logiciels)

Communications internationales 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 Communications internationales F. Nouvel, A. Massiani et C. Le Guellaut « Rapid Industrial Prototyping Heterogeneous Plate-form : 3G/4G Wireless Systems », Design, Automation, and Test in Europe (DATE’07), (Nice, France), avril 2007. C. Le Guellaut et F. Nouvel « Design and Implementation of an Optimized MIMO-OFDM System », Proc. IEEE 10th International Symosium on Spread Spectrum Techniques and Applications (ISSSTA’08), (Bologne, Italie), 25—28 août 2008 C. Le Guellaut and F. Nouvel « Efficient Implementation of a MIMO-OFDM Transmitter », Proc. Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS’08), (Grenoble, France), 12—14 novembre 2008.

Conclusions et perspectives 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 Conclusions et perspectives Perspectives Système : Mesures de performances (TEB, effet de la quantification sur le TEB) Autre forme d’onde Codeur de canal Connexion à un canal sans-fil (segment RF non finalisé) Plate-forme Évolution nécessaire de la plate-forme (nouveau FPGA, cœur de processeur) 1 carte défaillante (CAN) FPGA trop « petit » pour implanter un système MIMO FPGA bridé (ports SDB non fonctionnels) S’orienter vers les architectures reconfigurables, la radio-logicielle Palmyre 2

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 MERCI DE VOTRE ATTENTION