prototypage d’un système mimo-mc-cdma sur plate-forme hétérogène
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Prototypage d’un système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène
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 NouvelGroupe Communications Propagation Radar
Équipe Prototypage et system on chip
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 2
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
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 3
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-filObjectifs de la thèse
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
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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-filObjectifs de la thèse
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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(1) : WPAN : Wireless Personnal Access Network(2) : WLAN : Wireless Local Access Network
3G
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse
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L’évolution des systèmes sans-fil
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
UMTSGSM
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse
Multiplication des standards = multiplication des puces intégrées
Terminal « universel » sur une architecture adéquate (reconfigurable)
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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
L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse
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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
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
La plate-forme de prototypage
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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)
Canal
TxRx
DSP FPGA CAN/CNA
La plate-forme de prototypage
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
La plate-forme de prototypage
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La plate-forme de prototypage
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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
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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)
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
La plate-forme de prototypage
Horloge
D’autres canaux à considérer Simulateur de canal sans-fil (logiciel ou
matériel) Canal « réel » (rajout d’un segment RF)
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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
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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1 symbole MC-CDMA
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
1 2 3 4
3ème utilisateur
2ème utilisateur
1er utilisateur
1 16 32 48 64
Sous-porteuses
t
1 2 3 4
1 2 3 4Codes
… … … …
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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
1
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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La chaîne d’émission-réception
CNABBFIIGIFFTPAD
Entr
ela
ceur
Éta
lem
ent
Map.In
sert
ion
Est
imati
on
Inse
rtio
nSynch
ro
Canal SISO
CANFIBB
Synch
ro
IG-1FFTPAD-1
Égalis
ati
on
Entr
ela
c. -1
Éta
lem
ent -1
Map.-1
Estimation du canal
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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Trames MC-CDMA
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
Symboles d’estimation et de synchronisation
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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 »
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
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Conclusions et perspectives
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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
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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L’estimation de canal à l’émission
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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)
Insertion de pilotes sur toutes les sous-porteuses
1 Nc
… …
t
Pilotes
1 25 6
1 23 4
1 21 2
Pilotes
Sous-porteuses
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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
*kk HG
2
*
k
k
H
HkG
kk
k
H
HkG
12
*
k
kk H
HG
*
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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L’estimation de canal
Zero-Forcing (ZF) utilisé pour son compromis performance/complexité
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
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).
Performances ZF et MMSE proches
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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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
IGIFFTInsertionSynchro
Domaine fréquentiel
Domaine temporel
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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La synchronisation trame
Séquence pseudo-aléatoire (SPA) à longueur maximale Autocorrélation forte Intercorrélation faible
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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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)
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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
N
nyx nynxC
1, )().()(
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Corrélateur(A)
S1S1 IG(A)
(B)
S1S1 IG(B)
(C)S1S1 IG(C) (D)
S1S1 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
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La synchronisation trame
Effet du seuillage : Le seuillage provoque une avance de synchronisation
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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
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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
Occupation du designMC-CDMA TX (SISO)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
esF
lip-F
lop
LU
T4
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
Occupation du designMC-CDMA RX (SISO)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
esF
lip-F
lop
LU
T4
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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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 MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 33
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
2
1
XX
XX*1
*2Ant. 1
Ant. 2
[t+Ts] [t]
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 34
Proposition d’un schéma d’émission MIMO
CanalMIMO
CNABBFIIGIFFTPAD
Entr
ela
ceur
Éta
lem
ent
Map.
Inse
rtio
nEst
imati
on
Synchro
STBC
CNABBFIIGIFFTPAD Synchro
CANFIBB
Syn
chro
IG-1FFTPAD-1
STBC-1
Ent
rela
c. -1
Éta
lem
ent-1
Map.-1
CANFIBBIG-1FFTPAD-1
Estimation du canal
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 35
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
2
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 36
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
Ressources de la cible utilisées par l'IP FFT 2.1 XilinX (streaming)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Taux
d'o
ccup
atio
n
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 37
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
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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sur plate-forme hétérogène 38
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 :
*2*1
1
2
X X
X X
*2*1
( ) ( )
( ) ( )
IFFT IFFT
IFFT IFFT
1
2
X X
X X
Ant. 1
Ant. 2
[t+Ts] [t]
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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sur plate-forme hétérogène 39
Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO
Or, en utilisant la propriété , où :
Alors :
** xX ~)( IFFT
11 ,
0 si ,~ avec ,~~ 0**
Nkx
k xxx
Nkkkx
2*1
1*2
2
1
xx
xx
XX
XX~
~
)()(
)()(*1
*2
IFFTIFFT
IFFTIFFT
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
x
x
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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sur plate-forme hétérogène 40
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
2*1
1*2
xx
xx~
~
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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sur plate-forme hétérogène 41
Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO
Architecture du codeur CSTBC proposé Besoin en BRAM, slices Compatible STBC, CSTBC
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Occupation du design (C)STBC
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Taux
d'o
ccup
atio
n
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sur plate-forme hétérogène 42
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
Occupation du designSTBC-OFDM
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
es
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
Occupation du designOFDM-CSTBC
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
es
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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sur plate-forme hétérogène 43
La chaîne d’émission-réception MIMO initiale
CanalMIMO
CNABBFIIGIFFTPAD
Entr
ela
ceur
Éta
lem
ent
Map.
Inse
rtio
nEst
imati
on
Synchro
STBC
CNABBFIIGIFFTPAD Synchro
CANFIBB
Syn
chro
IG-1FFTPAD-1
STBC-1
Ent
rela
c. -1
Éta
lem
ent-1
Map.-1
CANFIBBIG-1FFTPAD-1
Estimation du canal
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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sur plate-forme hétérogène 44
La chaîne d’émission-réception MIMO proposée (finale)
CanalMIMO
CNABBFIIG
Entr
ela
ceur
Éta
lem
ent
Map.
Inse
rtio
nEst
imati
on
Synchro
PAD
CNABBFIIGSynchro
CANFIBB
Syn
chro
IG-1FFTPAD-1
STBC-1
Ent
rela
c. -1
Éta
lem
ent-1
Map.-1
CANFIBBIG-1FFTPAD-1
Estimation du canal
IFFT CSTBC
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 45
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)
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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sur plate-forme hétérogène 46
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
Occupation du designEstimation MIMO (Rx)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
es
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Architecture du bloc d’estimation en réception
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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sur plate-forme hétérogène 47
Egalisation de canal MIMO
Egalisation Calcul des coefficients d’égalisation avec la
méthode ZF, appliquée au cas MIMO
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
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.
Nt Nr
j
kij
kij
H
HkijG
11 1
2
*
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
1 dB d’écart@ TEB = 10-3
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 48
Egalisation de canal MIMO
Architecture de l’algorithme de détection ZF MIMO
Multiplieurs (MULT18) Blocs mémoires (BRAM) Division (Slices)
Occupation du designDétection ZF MIMO (Rx)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
es
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
Architecture du bloc de détection ZF MIMO en réception
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 49
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
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 50
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
Occupation du designSynchronisation MIMO (Rx)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
es
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 51
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
Occupation du designEmetteur MIMO
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
esF
lip-F
lop
LU
T4
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
Occupation du designRécepteur MIMO
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Slic
es Flip lu
t
BR
AM
Mu
lt18
Ta
ux
d'o
cc
up
ati
on
Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 52
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-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 53
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
ConclusionsContributionsPerspectives
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 54
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)
ConclusionsContributionsPerspectives
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 55
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.
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
ConclusionsContributionsPerspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 56
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
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
ConclusionsContributionsPerspectives
Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA
sur plate-forme hétérogène 57
MERCI DE VOTRE ATTENTIONMERCI DE VOTRE ATTENTION
Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE
Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA
Conclusions et perspectives
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