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
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 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)
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
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)
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
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
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
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
La plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMA
Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
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
2 SPA à longueur maximale, soit 2 séquences complexes S1 et S2
Différentes sur chaque antenne TX
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
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
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
