Arnaud MASSIANI Soutenance de doctorat

INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES

1UMR6164

Prototypage de Systèmes Haut Débit combinant Étalement de Spectre, Multi-porteuses et Multi-antennes

Arnaud MASSIANI

Soutenance de doctorat

Vendredi 25 Novembre 2005

Arnaud Massiani 25/11/2005


2

Collaborations menées

• Projet européen IST MATRICE (2001-2004)– Objectifs :

• Validation et optimisation des techniques MC-CDMA pour la quatrième génération de réseaux cellulaires

• Mise au point d’un démonstrateur matériel

– Partenaires : CEA LETI, Mitsubishi Electric ITE, France Telecom R&D, IETR, Institut des Télécommunications (Portugal), Université de Surrey (Angleterre), ST Microelectronics (Suisse), Nokia (Allemagne), Université Polytechnique De Madrid (Espagne).

• Projet régional PALMYRE (1999-2005)– Objectifs :

• Plate-forme de développement et d’évaluation de systèmes radioélectriques

• Définition de schémas de transmissions innovants dans un contexte mono/multi antennes

– Partenaires : ENST Bretagne, LESTER Lorient, IETR.



3

PLAN

• Contexte de l’étude• Présentation des systèmes étudiés• Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés• Application de la méthodologie de conception MCSE• Implantation des systèmes considérés• Conclusions et perspectives



4

PLAN

• Contexte de l’étude– Évolutions vers la quatrième génération de systèmes de

radiocommunications– Émergence d’une Radio Logicielle– Méthodes de conception

• Présentation des systèmes étudiés• Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés• Application de la méthodologie de conception MCSE• Implantation des systèmes considérés• Conclusions et perspectives



5

Vers les systèmes 4G

Développement de nouvelles techniques de Radiocommunications répondant à ces besoins

2GGSM

GPRSEDGE

2GGSM

GPRSEDGE

Mbit/s0.1Débit offert

1 10 100

Mobilité

Statique

Modérée

Élevée

4G

OFDM/CDMA ?MIMO ?

…

3GUMTS

IMT 2000

Réseaux locaux sans filHIPERLAN/2 IEEE 802.11(x)

• Évolution vers la 4G– Convergence nécessaire– Capacité réseau accrue– Robustesse aux canaux

de propagation– Efficacité spectrale – Flexibilité d’adaptation



6

Architecturede traitements

numériques

LNA

Duplexeur

CANhaute fréquence

large bande

AMPTranspositionRF

FiltrageRF

CNAhaute fréquence

Quelles solutions technologiques ?

• Concevoir des systèmes multi-standards– Évolution de la réalisation des systèmes de radiocommunications

• Traitement numérique primordial Évolution vers la Radio Logicielle

• Caractéristiques des architectures nécessaires– Importantes ressources de calcul– Hétérogénéité des architectures– Reconfigurabilité des dispositifs

FPGA DSP CPU

RAM ROMInterfaces

Étape intermédiaire : plate-forme de prototypage hétérogène Adéquation Algorithme Architecture : Méthode de conception



7

Besoins d’une démarche de conception

• Identification des étapesNiveau

d’abstraction

Analyse de l’environnement de fonctionnement Analyse du système de radiocommunications

SpécificationsSpécifications

Contraintes fonctionnelles

Dimensionnement du système Simulation et mesure de TEB

ModélisationModélisation

Contraintes d’exécution

Méthodologie d’exploration Optimisation de la mise en œuvre

ExplorationarchitecturaleExploration

architecturale

Contraintes d’intégration

Tests sur plate-forme hétérogèneIntégrationIntégration

Etapes de conception



8

PLAN

• Contexte de l’étude• Présentation des systèmes étudiés

– Principes et performances de la technique MC-CDMA– Principes et performances de la technique OSTBC/MC-CDMA

• Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés• Application de la méthodologie de conception MCSE• Implantation des systèmes considérés• Conclusions et perspectives



9

La technique MC-CDMA

• Concaténation dans le domaine fréquentiel de l’étalement par séquence directe et des modulations à porteuses multiples

c0,j

c1,j

cLc-1,j

Données dj

f

Sd

t

Td

1/Td

f

Ss

tTs

1/Ts

f

f

Sd

t

1/Td

Tc=Td

• Paramètres de dimensionnement– Longueur des séquences d’étalement Lc

– Nombre de sous-porteuses Np

tfie 12

tfipNe 12

tfie 02

12

,0

( ) { ( ) }p

k

Ni f t

j j k jk

s t d c t e

IFFT



10

Chaîne de transmissions basée sur le MC-CDMA

Émetteur MC-CDMA

• Émetteur MC-CDMA en liaison descendante

Entrelacement

• Entrelacement fréquentiel des données étalées– Tire pleinement parti de la diversité fréquentielle du canal

ModulationOFDM

• Modulation OFDM– Ajout du zero-padding Np>Npu

– Ajout d’un intervalle de garde Tg>max

Cj

uN

jqq

qqCd1

Con

vers

ion

série

-par

allè

le

dj

• Combinaison synchrone des données des utilisateurs à l’émission– Utilisation de codes d’étalement de Walsh-Hadamard

Vers le canalde propagation



11

Chaîne de transmissions basée sur le MC-CDMA

• Récepteur MC-CDMA en liaison descendanteRécepteur MC-CDMA du jième utilisateur

Désentrelacement

• Désentrelacement des données reçues

Egalisation

• Égalisation du canal– Différentes techniques existantes selon le compromis performances-complexité

Estimationdu canal

• Estimation des coefficients du canal– Insertion de sous-porteuses pilotes

Con

vers

ion

série

-par

allè

le

Cj

jd̂

• Désétalement selon le code de l’utilisateur considéré

Issu du canalde propagation

• Démodulation OFDM

DémodulationOFDM



12

• Combinaison à gain égal (EGC)– Correction de la distorsion de phase

– Dégradations en présence de MAI

• Combinaison à erreur quadratique moyenne minimale (MMSE) :– Compromis entre la minimisation de la MAI

et la maximisation du rapport signal à bruit

– Nécessite l’estimation du rapport signal à bruit pour chaque sous-porteuse

• Combinaison à restauration d’orthogonalité (ORC)– Annulation complète de la MAI

– Amplification du bruit

• Combinaison à gain maximal (MRC)– Performances optimales en absence de MAI

– Dégradations importantes en présence de MAI

Techniques d’égalisation mono-utilisateur dans le cas SISO



13

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

RSB

TE

B

MRC

EGC

ORC

MMSE

Performances de la technique MC-CDMA

• Conditions de simulation– Simulation sur canal théorique de Rayleigh

• Sous-porteuses décorrélées

– Lc = Np = 64

– A pleine charge : Nu=64

MMSE meilleures performances



14

Principe des codes en blocs temps-espaces orthogonaux

• Avantages– Décodage ML linéaire simple

– Rc = 1

– Diversité spatiale maximale NtxNr

– Plus grande robustesse

• Inconvénients– Duplication des parties RF Tx

et/ou Rx

– Plus grande complexité

• Exemple d’un système utilisant un codage d’Alamouti 2x1

-125

-120

-115

-110

-105

-100

-95

-90

-85

-80

-75

En

ve

lop

pe

en

d

B

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Temps en ms

CH1

CH2

MRC • Décodage OSTBC



15

La technique OSTBC/MC-CDMA

• Association de la technique MC-CDMA et des codes temps-espace OSTBC

Données dj

f

Sd

t

Td

1/Td

• Paramètres de dimensionnement– Longueur des séquences d’étalement Lc

– Nombre de sous-porteuses Np

– Nombre d’antennes à l’émission Nt en réception Nr

f

Ss

tTs

1/Ts

f

12

,0

( ) { ( ) }p

k

Ni f t

j j k jk

s t d c t e

c0,j

c1,j

cLc-1,j

tfie 12

tfipNe 12

tfie 02

IFFTc0,j

c1,j

cLc-1,j

tfie 12

tfipNe 12

tfie 02

IFFT

12

,0

( ) { ( ) }p

k

Ni f t

j j k jk

s t d c t e

Codage OSTBC



16

Chaîne de transmissions 2x2 basée sur le OSTBC/MC-CDMA

Émetteur OSTBC/MC-CDMA

• Émetteur OSTBC/MC-CDMA en liaison descendante

Entrelacement

• Entrelacement fréquentiel des données étalées– Tire pleinement parti de la diversité fréquentielle du canal

Cj

uN

jqq

qqCd1

Con

vers

ion

série

-par

allè

le

dj

• Combinaison synchrone des données des utilisateurs à l’émission– Utilisation de codes d’étalement de Walsh-Hadamard

Vers le canalde propagation

• Codage OSTBC – Utilisation des codes temps-espace d’Alamouti Nt=2

Codage temps-espace

ModulationOFDM

Ant. 1

ModulationOFDM Ant. 2

• Modulation OFDM– Ajout du zero-padding Np>Npu - Ajout d’un intervalle de garde Tg>max



17

• Estimation des coefficients du canal sur chaque antenne– Insertion de sous-porteuses pilotes

Estimation du canal

Chaîne de transmissions 2x2 basée sur le OSTBC/MC-CDMA

• Récepteur OSTBC/MC-CDMA en liaison descendanteRécepteur OSTBC/MC-CDMA du jième utilisateur

Désentrelacement

• Désentrelacement des données reçues

Décodage/Égalisation

• Décodage/Égalisation du canal– Différentes techniques existantes selon le compromis performances-complexité

Con

vers

ion

série

-par

allè

le

Cj

jd̂

• Désétalement selon le code de l’utilisateur considéré

Issu du canalde propagation

• Démodulation OFDM sur chaque antenne

Ant. 1DémodulationOFDM

DémodulationOFDM

Ant. 2

Antenne 1

Antenne 2



18

Techniques d’égalisation mono-utilisateur dans le cas MIMO

• Combinaison à erreur quadratique moyenne minimale (MMSE) :– Compromis entre la minimisation de la MAI

et la maximisation du rapport signal à bruit

– Nécessite l’estimation du rapport signal à bruit pour chaque sous-porteuse sur chaque antenne

• Combinaison à restauration d’orthogonalité (ORC)– Annulation complète de la MAI

– Probabilité d’amplification du bruit très faible

• Combinaison à gain égal (EGC)– Correction de la distorsion de phase

– Dégradations en présence de MAI

• Combinaison à gain maximal (MRC)– Performances optimales en absence de MAI

– Dégradations importantes en présence de MAI



19

0 2 4 6 8 10 12 14 16

10-4

10-3

10-2

10-1

RSB

TE

B

MRC

EGC

ORC

MMSE

Performances de la technique OSTBC/MC-CDMA

• Conditions de simulation– Simulation sur canal théorique de Rayleigh

• Sous-porteuses décorrélées

– Système MIMO 2x2

– Lc = Np = 64

– A pleine charge : Nu=64

Utilisation des techniques ORC et MMSE

ORC & MMSEMeilleures performances



20

PLAN

• Contexte de l’étude• Présentation des systèmes étudiés• Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés

– Étude de l’impact d’un format de données en virgule fixe– Éléments de complexité

• Application de la méthodologie de conception MCSE• Implantation des systèmes considérés• Conclusions et perspectives



21

Dimensionnement des systèmes

• Scénario de propagation étudié– Cas du canal BRAN A– Vitesse de déplacement de 1m/s

• Configurations étudiées



22

Impact du format fixe de données

Pour Lc= 32 ou 64, nMSB = 5 bits

• Impact sur la dynamique des données

– Réception du signal• Saturation des données excédant le format de données

• Filtrage du bruit à fort RSB

-15 -10 -5 0 5 10 15 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

amplitude

prob

abili

té

THR 8THR 16THR 32THR 64

– Fonction d’étalement de spectre• Probabilité d’amplitude maximale très faible• Diminution du nombre de bits attribués à la partie entière



23


• Impact sur le pas de quantification

– Évanouissements profonds

– Égalisation ORC

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

RSB

TE

B ORC-FIX 5.11

ORC-FIX 5.8

ORC-FIX 5.6

ORC-FIX 5.5

ORC-FIX 5.3

ORC THEO

MMSE THEO

nLSB = 6 bits Meilleurs compromis

ORC-FIX5.6



24


– 21 dB de dynamique

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

RSB

TE

B MMSE-FIX 5.10

MMSE-FIX 5.7

MMSE-FIX 5.6

MMSE-FIX 5.4

MMSE-FIX 5.3

ORC THEO

MMSE THEO

– Canal de Rayleigh

– Simulation Nu=Np=Lc=64

• Impact sur le pas de quantification

– Égalisation MMSE

nMSB = 5 bits, nLSB = 6 bits

ORC Meilleur compromis performance/complexité

nLSB = 7 bits Meilleurs compromis

MMSE-FIX5.7



25

Éléments de complexité des systèmes MC-CDMA et OSTBC/MC-CDMA

• Nombre d’opérations

• Occupation mémoire en terme de places occupées

Traitement adapté à une mise en œuvre sur FPGA

ÉgalisationComplexité SISO

Complexité MIMO

Taille

IFFT/FFT

Complexité

THR/THR-1

Complexité

Taille



26

PLAN

• Contexte de l’étude• Présentation des systèmes étudiés• Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés• Application de la méthodologie de conception MCSE

– Présentation de la Méthodologie pour la Conception des Systèmes Électroniques (MCSE)

– Application de la méthodologie de conception MCSE

• Implantation des systèmes considérés• Conclusions et perspectives



27

Méthodologie pour la Conception des Systèmes Électroniques

• Méthodologie développée au sein de l’Université Polytechnique de Nantes• Supportée par l’outil Cofluent Studio

Spécifications système

Générationdes codes

Générationdes codes

Simulationarchitecturale

Simulationarchitecturale

Analyse dela distribution

Attributs architecturaux

Modélisation des interfaces

Descriptiondétaillée

Attributs du prototype

Définition des interfaces

Cpour DSP Interfaces

Génération de codes

VHDLpour FPGA

Modélisation del’architecture

Attributsarchitecturaux

Conceptionarchitecturale

Modélisationfonctionnelle


Attributsfonctionnels

SimulationfonctionnelleSimulation

fonctionnelle

VirguleflottanteVirguleflottante

Virgulefixe

Virgulefixe

Tests etvalidation

Portage dela solution

Portage sur plate-forme hétérogène



28

Légende

Fonction

F1 F2

F4F5 F3

Modélisation fonctionnelle

Évènement

E2

E1Sous Fonction

SF2SF1

SF1 SF2Port de communication

P3

P2P1

P4

Variable

V2

V1



Comportemental

Algorithmique

Structurel

• Modèle structurel– Identification et modélisation des fonctions principales des systèmes– Identification et modélisation des médias de communications– Identification des paramètres génériques du modèle structurel



29


• Modèle comportemental – Identification et modélisation du comportement des fonctions– Identification des paramètres génériques du modèle

comportemental

F1P1 P2

Agrandissement

Légende

Instant initial

Init

OpérationOp

Boucle finie ou infinie

Op1 Op2

Règle de composition

Condition d’activation

Action



Comportemental

Algorithmique

Structurel



30


• Modèle algorithmique– Description des opérations (C, SystemC, VHDL)

– Prise en compte des paramètres génériques du modèle algorithmique



Comportemental

Algorithmique

Structurel

Op i

• Description gros grain des opérations

– Simulation et validation de l’algorithme

– Modèle fonctionnel indépendant de l’architecture cible

– Codes complexes

FFT Add

• Description grain fin des opérations

– Simulation et validation de l’algorithme

– Connaissance de l’architecture cible

– Codes simples

Utilisation d’une description fonctionnelle à gros grain pour parcourir le flot de conception



31


• Simulation fonctionnelle– Prise en compte des attributs

fonctionnels et des paramètres génériques



Comportemental

Algorithmique

Structurel

Simulationfonctionnelle

Virgulefixe

Virgulefixe

VirguleflottanteVirguleflottante



32

Légende

Processeur

Software/Hardware

P

DSP1 FPGA1 FPGA2

DSP2

• Définition des attributs de l’architecture décrite– Processeurs

• Temps de cycle• Concurrence

Conception architecturale

• Modèle architectural– Modélisation de l’architecture cible– Détermination des attributs

Nœud de communication

– Média de communication• Temps d’émission, de réception• Concurrence• Capacité • Type de média de communication

M

MémoiresM

– Mémoires• Temps de cycle






33





• Répartition des fonctions sur les processeurs– Répartition des opérations sur les différentes architectures cibles– Prise en charge des médias de communications selon trois niveaux de raffinement

• Degré de concurrence et temps de transferts de données• Instanciation des médias de communications

• Abstraction totale



34





• Simulation conjointe– Prise en compte des attributs fonctionnels et architecturaux– Influence de la répartition des opérations– Détermination de l’activité des architectures



35

Génération de codes pour cibles FPGA




VHDLpour FPGA



• Génération de codes– Génération des entités correspondant aux opérations du modèle fonctionnel– Génération de la hiérarchie– Génération des interfaces de communications



36


• Avantages– Complexité équivalente– Fréquences de fonctionnement quasiment identiques– Prise en compte des interfaces de communications




VHDLpour FPGA




• Génération automatique et implantation de deux systèmes – Un émetteur MC-CDMA

• Description fonctionnelle réalisée à gros grain

• Instanciation d’IP VHDL développées au préalable

• Inconvénients– Besoin d’un environnement dédié au développement

des entités VHDL

– Valeur ajoutée restreinte



37

• Génération automatique et implantation de deux systèmes – Fonctions de l’émetteur MC-CDMA (QPSK et Étalement de spectre)

• Description fonctionnelle réalisée à grain plus fin

• Écriture des opérations élémentaires uniquementSpécifications

système



VHDLpour FPGA




• Avantages– Complexité et fréquences de fonctionnement quasiment

identiques– Prise en compte des interfaces de communications– Écriture de code C, SystemC et/ou VHDL réduit

• Inconvénients– Prise en compte de l’architecture cible dans le modèle

fonctionnel




38

PLAN

• Contexte de l’étude• Présentation des systèmes étudiés• Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés• Application de la méthodologie de conception MCSE• Implantation des systèmes considérés

– Présentation de la carte de prototypage et de l’environnement de test– Résultats d’implantation du système MC-CDMA étudié– Résultats d’implantation du système OSTBC/MC-CDMA étudié

• Conclusions et perspectives



39

• Partie émission

• Partie réception

Description de la plate-forme de prototypage Sundance



40

Environnement de test

Connexion PCI

Station de travail

Connexion PCI

CNA

CAN

DSPFichier binaireInterface

Host/ModemTX

Interface Host/Modem

RXFichier binaire DSP

FPGA

SDB

SDB

Interface

Émetteur

FPGA

SDB

SDB

Interface

Récepteur



41

Paramètres des Modems



42

• Configuration PALMYRE– Np=256

– Npu=192

– Lc=32

Représentation du signal MC-CDMA

– Attente paramétrable entre symboles

– Attente paramétrable entre trames

• Signal temporel– 7 symboles par trame

• 1 symbole d’estimation• 6 symboles de données



43

Représentation du signal MC-CDMA

• Images symétriques

• Atténuation des lobes secondaires

– 20 MHz de bande– FI à 30 MHz

• Signal analogique en fréquence intermédiaire



44

Débit théorique des systèmes par utilisateur

• Cas du système OSTBC/MC-CDMA :– Codage OSTBC utilisé pour renforcer la robustesse du système global– Débit théorique identique au système MC-CDMA

Npu : Nombre de sous-porteuses utiles.

Np : Nombre de sous-porteuses.

m : Nombre de bits transmis par symboles complexes.

Lc : Longueur des codes d’étalement.

Ts : Durée du symbole OFDM.

Tg : Durée de l’intervalle de garde.

Fs : Fréquence de fonctionnement du système.

• Cas du système MC-CDMA :

Configuration PALMYRE => Du 909 Kbit/sec



45

Mesure de débit du système MC-CDMA

• Cas du système analogique en fréquence intermédiaire

• Cas du système numérique en bande de base



46

Mesure de débit du système OSTBC/MC-CDMA

• Cas du système numérique en bande de base

Baisse de débit due aux contraintes d’implantation des deux FFT sur notre cible FPGA Mode paquet et non flot de données

SISOMIMO



47

PLAN

• Contexte de l’étude• Présentation des systèmes étudiés• Étude des contraintes d’implantation des systèmes étudiés• Application de la méthodologie de conception MCSE• Implantation des systèmes étudiés• Conclusions et perspectives

– Bilan des travaux présentés– Perspectives de recherche



48

Conclusion (I)

• Étude des modulations combinant l’étalement de spectre et les porteuses multiples– Analyse de la technique MC-CDMA

• Étude de l’extension de la technique MC-CDMA au cas des systèmes MIMO– Analyse de la technique OSTBC/MC-CDMA

• Optimisation de la mise en œuvre de systèmes MC-CDMA et OSTBC/MC-CDMA– Étude de la complexité de mise en œuvre en nombre d’opérations et en

occupation mémoire – Étude du format de données en virgule fixe

• Optimisation de la technique de détection ORC



49

Conclusion (II)

• Mise en œuvre de la méthodologie de conception MCSE– Démarche de modélisation et de simulation

• Virgule flottante• Virgule fixe

– Exploration architecturale– Génération automatique et intégration de codes pour FPGA

• Mise en œuvre d’un système MC-CDMA paramétrable au sein d’une architecture hétérogène– Implantation sur DSP et FPGA– Mesure de débit en numérique et en analogique– Analyse des performances d’intégration

• Mise en œuvre d’un système OSTBC/MC-CDMA paramétrable au sein d’une architecture hétérogène– Implantation sur DSP et FPGA– Mesure de débit en numérique– Analyse des performances d’intégration



50

Perspectives

• Extension de la conception du système MC-CDMA– Ajouts des fonctions de synchronisation temporelle

• Extension de la conception du système OSTBC/MC-CDMA– Ajouts des fonctions de passage en fréquence intermédiaire– Ajouts des étages de conversions et de transmission analogique

• Intégrer les modems sur la plate-forme PALMYRE– Assemblage avec la partie RF de l’ENST Bretagne

• Optimisation de la phase de génération de codes selon l’approche MCSE– Développement de primitives adaptées pour DSP– Étudier la génération de code VHDL pour un modèle fonctionnel à grain fin– Identifier les points bloquants de la génération de code VHDL à partir d’un

modèle fonctionnel à gros grain

• Étudier les échanges possibles entre MCSE et Matlab/Simulink – Profiter du flot de conception de MCSE– Profiter de la souplesse de Matlab/Simulink


51UMR6164

Prototypage de Systèmes Haut Débit combinant Étalement de Spectre, Multi-porteuses et Multi-antennes

Arnaud MASSIANI

Soutenance de doctorat

Vendredi 25 Novembre 2005



52

Complexité des systèmes

Virtex2 XC2V2000 slices RAM Mult 18*18

Interface + Émetteur 45% 46% 42%

Émetteur 38% 42% 42%

Interface + Récepteur 51% 50% 57%

Récepteur 45% 44% 57%

Virtex2 XC2V2000 slices RAM Mult 18*18

Interface + Émetteur 52% 46% 32%

Émetteur 42% 35% 32%

Interface + Récepteur 52% 44% 60%

Récepteur 44% 32% 60%

• Modem MC-CDMA en fréquence intermédiaire

• Modem OSTBC/MC-CDMA en bande de base numérique

Documents

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