Les systèmes sans-fil La plate-forme de prototypage sundance



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  • 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



Appareils communicants dédiés à certains services (ou réseaux)

  • Appareils communicants dédiés à certains services (ou réseaux)

  • Mobile

    • Réseau cellulaire
    • Téléphonie, SMS
  • PC

    • Réseau local (LAN)
    • Internet par réseau téléphonique fixe (RTC, RNIS)


De nouveaux services pour le mobile

  • 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



Architectures reconfigurables statiquement (architecture paramétrable)

  • 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


Les thématiques

  • 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


Travaux antérieurs à 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


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  • Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

  • Conclusions et perspectives



La plate-forme Sundance

  • 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)


Emetteur

  • Emetteur

    • DSP (SMT335)
      • TI C6201 à 200 MHz (virgule fixe)
    • FPGA (SMT398)
    • 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


Récepteur

  • 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


Le canal (filaire) utilisé

  • Le canal (filaire) utilisé

    • Amplificateur 20 dB
    • Atténuateur variable 0 – 60 dB
    • Filtre d’émission (passe-bas, fc = 50 MHz)


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  • Conclusions et perspectives



Combinaison de l’OFDM et du 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



Forme d’onde MC-CDMA paramétrable

  • 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




Prototype fonctionnel

  • 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


Remarques sur le format des trames

  • 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 »


Avant le passage au MIMO

  • Avant le passage au MIMO

  • 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


Insertion de pilotes dans le flux de données

  • 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)


Comparaison du symbole reçu au symbole local

  • 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


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

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



Contribution sur la synchronisation SISO

  • 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


Séquence pseudo-aléatoire (SPA) à longueur maximale

  • Séquence pseudo-aléatoire (SPA) à longueur maximale

    • Autocorrélation forte
    • Intercorrélation faible


Synchronisation par intercorrélation

  • 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


Synchronisation par autocorrélation

  • 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


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

  • 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


Effet du seuillage :

  • Effet du seuillage :

    • Le seuillage provoque une avance de synchronisation


Résultats d’implantation sur cible FPGA

  • Résultats d’implantation sur cible FPGA

    • Le design complet du TX occupe 56% de la cible
    • Le design complet du RX occupe 67% de la cible
  • Fonctions les plus coûteuses

    • FFT/IFFT (CORE)
    • FHT (CORE transformée d’Hadamard)
    • Transposition en FI
    • Estimation/égalisation
  • Passage à une forme d’onde plus complexe peut être délicat pour l’implantation sur la cible



Les systèmes sans-fil

  • Les systèmes sans-fil

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  • Conclusions et perspectives



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

  • 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


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

  • 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




Mêmes caractéristiques que le système SISO

  • 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


Schéma MIMO proposé

  • 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



Principe de la contribution

  • 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


Démonstration pour 2 antennes Tx (Alamouti) :

  • 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 :


Or, en utilisant la propriété , où :

    • Or, en utilisant la propriété , où :
    • Alors :


On obtient un nouveau schéma d’émission OFDM-CSTBC

  • 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 :


Architecture du codeur CSTBC proposé

  • Architecture du codeur CSTBC proposé

    • Besoin en BRAM, slices
    • Compatible STBC, CSTBC


Implantation des systèmes STBC-OFDM et OFDM-CSTBC

  • 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







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

  • 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)


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

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

    • Interpoler les pilotes manquants (interpolation linéaire, Wiener, …)
    • Une interpolation simple
      • On suppose le canal constant sur 2 sous-porteuses consécutives
      • Chaque sous-porteuse manquante est la copie de la sous-porteuse précédente


Egalisation

  • Egalisation

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


Architecture de l’algorithme de détection ZF MIMO

  • Architecture de l’algorithme de détection ZF MIMO

    • Multiplieurs (MULT18)
    • Blocs mémoires (BRAM)
    • Division (Slices)


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

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

    • Synchronisation sur les deux voies indépendamment
  • Choix des séquences



Mise en œuvre

  • 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 sur cible

  • Résultats d’implantation sur cible

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



Les systèmes sans-fil

  • 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



Objectifs atteints

  • Objectifs atteints

    • Finalisation du système SISO
    • 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


Objectifs atteints

  • 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)


  • 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.



Perspectives

  • Perspectives

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





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