Les systèmes sans-fil La plate-forme de prototypage sundance
tarix 26.10.2017 ölçüsü 445 b. #13610
La plate-forme de prototypage SUNDANCE Le système MC-CDMA Étude et implémentation du système MIMO-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 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 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 Entre les trames, des pauses Transmission par flux continu ou par « burst » 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) 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 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 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 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 X 1 et X 2 : 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 Résultats d’implantation de la synchro MIMO 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 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 Palmyre 2 Dostları ilə paylaş:
