Gautier techniques mimo

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Gautier techniques mimo

  1. 1. TECHNIQUES MIMOMatthieu GAUTIER – MIMO 1
  2. 2. Plan du Cours♦ Introduction♦ Partie I : Antennes compactes♦ Partie II : Antennes larges bandes♦ Partie III : Antennes à polarisation circulaire♦ Partie IV : Antennes grand gain♦ Partie V : Formation de faisceau♦ Partie VI : Antennes intelligentes♦ Partie VII : MIMO Matthieu GAUTIER – MIMO 2
  3. 3. Plan de la présentationIntroductionLa technique MIMO Principe Capacité CodageLes récepteurs multi-voies Structure à multiplexage par code Structure à superposition des spectres Matthieu GAUTIER – MIMO 3
  4. 4. IntroductionFuturs systèmes de télécommunications Toujours plus de débit pour toujours plus de mobilité Matthieu GAUTIER – MIMO 4
  5. 5. IntroductionPrincipes de diversité :Revenons un peu sur les degrés de libertés d’un signal...Il y a quatre domaines principaux de diversités possibles : temporelle fréquentielle polarisation spatiale Ces domaines correspondent aux grandeurs variables sur le canal de transmission. Matthieu GAUTIER – MIMO 5
  6. 6. Introduction Emetteur Récepteur TDiversité temporelle : T + ∆t T + 2∆t CanalDiversité fréquentielle :Diversité de polarisation : Matthieu GAUTIER – MIMO 6
  7. 7. IntroductionDiversité spatiale :L’utilisation de 2 antennes espacées permet de limiter les affaiblissements dûs aux trajets multiples Matthieu GAUTIER – MIMO 7
  8. 8. IntroductionLes principales techniques :• SISO : Single Input Single Output Tx Canal Rx – Pas intéressante• SIMO : Single Input Multiple Output Canal … – La plus mature Tx Rx – Implémentation• MISO : Multiple Input Multiple Output Canal … – Formation de faisceau, Tx Rx – Diversité, codage• MIMO : Multiple Input Multiple Output … – MISO Canal … Tx Rx – Transmission sur plusieurs canaux Matthieu GAUTIER – MIMO 8
  9. 9. 1. LA TECHNIQUE MIMOMatthieu GAUTIER – MIMO 9
  10. 10. 1. La technique MIMO 1.1 PrincipeLa technique MIMO :Quand on utilise plusieurs antennes à l’émission, chacune devientune source d’information différente pour les antennes de réception On augmente encore la diversité Matthieu GAUTIER – MIMO 10
  11. 11. 1. La technique MIMO 1.1 PrincipeMultiplexage spatial : On divise l’information en autant de flux que d’antennes d’émission Augmentation du débit proportionnelle au nombre d’antennes d’émission Décodage spatio-temporel en réception (il faut au moins autant d’antennes) Matthieu GAUTIER – MIMO 11
  12. 12. 1. La technique MIMO 1.1 Principe Inversion de matrice :signal envoyé signal reçu signal décodé La facilité de décodage de l’information va dépendre de l’inversibilité de la matrice Matthieu GAUTIER – MIMO 12
  13. 13. 1. La technique MIMO 1.1 PrincipeMatrice inversible :La facilité d’inversion de la matrice va dépendre de la corrélationentre les signaux reçus :- dépend de la distance entre les antennes,- de l’étalement angulaire des signaux. rang 1 (non inversible !)Il faut donc soit un espacement important entre les antennes, soit un maximum de trajets multiples (parfait en indoor) Matthieu GAUTIER – MIMO 13
  14. 14. 1. La technique MIMO 1.2 CapacitéDéfinition de la capacité d’un canal : La capacité dun canal est la quantité maximale dinformationpouvant transiter à travers le canal par unité de temps. Cest le maximum de linformation mutuelle moyenne entrelentrée X et la sortie Y du canal : C = max I ( X ; Y ) p( x) Matthieu GAUTIER – MIMO 14
  15. 15. 1. La technique MIMO 1.2 Capacité h nCapacité d’un canal SISO : y = PT x + n xh y• h : gain complexe du canal y = PT xh + n – Non sélectif en fréquence (1 coefficient) – Sélectivité temporelle : • h est indépendant du temps => non sélectif en temps, • h change dun symbole à lautre, • h varie lentement dans le temps – Constant sur une longue durée.• Si ρ est le rapport signal à bruit moyen à la réception : ( ) 2 ( ) =1 S PT E h P ρ= = ρ= T 2 si E h B σ 2 σ 2• Capacité dun système SISO sans CSI à lémission : ( C = log 2 1 + ρ h 2 ) bits / s / Hz Matthieu GAUTIER – MIMO 15
  16. 16. 1. La technique MIMO 1.2 CapacitéCapacité d’un canal MISO : h1 nPT x1 yM h 2 • Pour comparer les performances, on travaille à puissance émise totale constante. x2 Puissance émise sur chaque antenne : T P M … • Rapport signal à bruit moyen à la réception : ∑E( h ) h M PT 2 i M PT xM ρ= i = σ 2 σ2  ρ M  C = log 2 1 + ∑ hi  bits / s / Hz 2   M i =1 Matthieu GAUTIER – MIMO 16
  17. 17. 1. La technique MIMO 1.2 CapacitéCapacité d’un canal SIMO : h1 n1 x y1 ( )= P h2 n2 2 PT E hi y2 ρi = T σ i2 σ i 2 … … hN nN yN Croît de façon logarithmique  N 2C = log 2 1 + ρ ∑ hi  bits / s / Hz avec le nombre dantennes à  i =1  la réception Matthieu GAUTIER – MIMO 17
  18. 18. 1. La technique MIMO 1.3 Capacité MIMOCapacité d’un canal MIMO :• MIMO : N émetteurs et M récepteurs• hij est le gain complexe du canal entre la jème antenne émettriceet la ième antenne réceptrice – Canal non sélectif en fréquence Matthieu GAUTIER – MIMO 18
  19. 19. 1. La technique MIMO 1.3 Capacité MIMO nCapacité d’un canal MIMO : x H = UDV H y y = Hx + n Avec x = [ x1 K xN ] et y = [ y1 K yM ] T T•• Décomposition en valeurs singulières de H : { = U { V m = min ( M , N ) H H { D { M ×N M ×m m×m m× N• U et V sont unitaires :• D est une matrice diagonale dont les éléments non nuls sont les valeurs propres de H : D = diag ( λi ) Matthieu GAUTIER – MIMO 19
  20. 20. 1. La technique MIMO 1.3 Capacité MIMOCanaux virtuel :• Objectif : "la sortie" du système doit être reliée à "lentrée" parune matrice diagonale• Idée : Appliquer un pré-traitement linéaire aux données àtransmettre et un post-traitement au signal reçu. % x D % y m canaux indépendants % n Matthieu GAUTIER – MIMO 20
  21. 21. 1. La technique MIMO 1.3 Capacité MIMOCanaux du canal MIMO :• La capacité dun sous-canal (puissance émise PT/N) :  ρ 2 Ci = log 2 1 + λi   N • La capacité dun système MIMO tel que le précédent : m C = ∑ Ci si m canaux indépendants i =1 m  ρ 2 C = ∑ log 2 1 + λi  i =1  N • On écrit généralement cette capacité ainsi :  ρ H C = log 2 det  I M + H H   N  Croissance linéaire correspondant à Matthieu GAUTIER – MIMO 21
  22. 22. 1. La technique MIMO 1.3 Capacité MIMOConnaissance du canal à l’émission :La connaissance du canal en réception est aisée si on dispose d’uneséquence d’apprentissage, mais la connaissance à l’émission est pluscomplexe (nécessité d’un feedback). • Cas sans connaissance du canal (no CSI) :même puissance allouée aux différents émetteurs (stratégie BLAST)  ρ H C = log 2 det  I M + H H   N  • Cas avec connaissance du canal (CSI) : on peut allouer la puissance de manière optimale aux différents émetteurs (stratégie WATERFILLING) Matthieu GAUTIER – MIMO 22
  23. 23. 1. La technique MIMO 1.3 Capacité MIMOIllustration du Water-filling :• Attribution dun tube inversementproportionnelle à la valeur singulièredu mode.• Cas particulier : Si une valeursingulière est très nettementsupérieure aux autres, de quoisagît-il ?• Réponse : Beamforming Matthieu GAUTIER – MIMO 23
  24. 24. 1. La technique MIMO 1.3 Capacité MIMOCapacité théorique : Matthieu GAUTIER – MIMO 24
  25. 25. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage spatio-temporel :Modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation)Le principe du codage spatio-temporel est d’émettre des symboles différents sur chacune des antennes d’émission.On peut alors choisir soit d’utiliser les sous-canaux pour augmenter le débit, soit pour améliorer la robustesse du lien. Matthieu GAUTIER – MIMO 25
  26. 26. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelHypothèses :• Le canal spatio-temporel est composé de MxN sous-canaux varianttemporellement lentement• Chaque sous-canal est un canal de Rayleigh• Les évanouissement des sous-canaux sont indépendants• Les coefficients du canal sont parfaitement estimésConsidérations temporelles :On considère l’analyse du signal sur un bloc de T instants.On suppose que les coefficients du canal sont constants sur la duréed’une trame de T instants et indépendants d’une trame à l’autre. Codage en treillis ou codage en bloc Matthieu GAUTIER – MIMO 26
  27. 27. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage spatio-temporel en bloc STBC : Q symboles sont regroupés avant codage et transmis simultanément surles antennes d’émission puis retransmis différemment aux T instants suivants. Un exemple : le codage Alamouti N=2 M=1 • On encode Q=2 symboles pendant un temps T=2 instants élémentaires, • Rendements dun code: R=Q/T ici 1, • Code orthogonal. Matthieu GAUTIER – MIMO 27
  28. 28. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage Alamouti : Signal reçu à linstant 1 : y1 = h1 x1 + h2 x2 + n1 Signal reçu à linstant 2 : y2 = − h1 x2 + h2 x1 + n2 * * Ecriture en bloc :  y1   x1 x2   h1   n1   y  =  − x* x*   h  +  n   2  2 1  2  2 Y = XH +N Orthogonalité du code On peut sommer les capacité de chacun des canaux. Matthieu GAUTIER – MIMO 28
  29. 29. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage Alamouti :  y1   x1 x2   h1   n1  Ecriture en bloc :  y  =  − x* x*   h  +  n   2  2 1  2  2 Y = XH +N Modèle équivalent :  y1   h1 h2   x1   n1   y*  =  h* − h*   x  +  n*   2  2 1  2  2 ) ) Y =HX +N On a bien : HH H ( = h1 + h2 2 2 )I Le décodage dun tel schéma se fait en appliquant le H traitement linéaire H au vecteur reçu y. Matthieu GAUTIER – MIMO 29
  30. 30. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage Alamouti : Décodage : Complexité linéaire du récepteur Critère du rang pleinement satisfait Rendement maximal : Le code dAlamouti permet datteindre la capacité du canal pour un système 2×1, mais ce nest plus vrai pour des systèmes dordre supérieur [Hassibi 2002] Matthieu GAUTIER – MIMO 30
  31. 31. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage spatio-temporel en treillis : Même principe que du Viterbi, mais réparti sur les différentes antennes (décodagepar maximum de vraisemblance). Exemple dallocation des symboles : • Signal sur lantenne 1 = signal sur lantenne 2 retardé dun symbole => Diversité de délai (canal variant dans le temps) Complexité de décodage à croissance exponentielle en fonction du nombre d’antennes Matthieu GAUTIER – MIMO 31
  32. 32. 1. La technique MIMO 1.4 Technique de réceptionTechnique de réception : Dépendent très fortement de la technique de communication mise enœuvre. Réception code Espace-temps (bloc, treillis…) => récepteur propre. Réception simultanée de plusieurs flux dinformation indépendant : - ZF (Zero Forcing) : cherche uniquement à supprimer la contribution des autres émetteurs (peu performant). - MMSE : diminue l’influence du bruit et des interférents, mais ne sépare pas complètement les sous canaux. - V-BLAST : décode d’abord l’information du signal le plus fort, puis retranche sa contribution aux autres signaux reçus, ainsi de suite... Très performant (sauf propagation d’erreur de décision). - Autres techniques plus « lourdes » : Maximum de vraisemblance, décodage par sphères généralisé. Matthieu GAUTIER – MIMO 32
  33. 33. 1. La technique MIMO 1.5 Autres étudesAutres aspects importants à prendre en compte : Modélisation du canal de propagation MIMO Estimation du canal MIMO Architecture matérielle : - Intégration des antennes, impact du couplage - Chaîne RF Matthieu GAUTIER – MIMO 33
  34. 34. 2. LES RECEPTEURS MULTI-VOIESMatthieu GAUTIER – MIMO 34
  35. 35. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.1 ProblématiquePartie analogique (Front-end) : Signal réception Translation en fréquence Filtre et mélangeurs en quadrature Filtrage et amplification Filtre RF et LNA Atténuation - Canal hertzien Amplification et filtrage Power Amplifier Passage en RF Modulateur IQ Signal bande de base - DAC Signal émission Matthieu GAUTIER – MIMO 35
  36. 36. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.1 Problématique Etat de lart – Type dArchitecture :• Architecture hétérodyne • Architecture homodyne Avantages– Bonne sélectivité, sensibilité - – Complexité réduite Répartition du filtrage et du gain le – Faible consommation long de la chaîne Inconvénients– Complexité plus grande due au – Tension DC-Offset – tension nombre de composants continue parasite– Atténuation de la fréquence image – Contraintes sur le traitement bande de base et sur le déséquilibre des voies I/Q Matthieu GAUTIER – MIMO 36
  37. 37. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.1 ProblématiqueEtat de lart – Récepteurs multi-voies : Empilement de frontaux radiofréquence : Autant de frontaux que de voies. Mauvais compromis : performances – consommation - complexité Matthieu GAUTIER – MIMO 37
  38. 38. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.1 ProblématiqueProposition d’étude :Idée : - Utilisation d’une seule chaîne commune - Mutualiser les éléments r1 (t) Front-End 1 I1(t), Q1(t) rN (t) IN (t), QN (t) Front-End N Multiplexage des voies r1 (t) I1 (t), Q1(t) Multi- Demulti- plexage Front-end rN (t) plexage IN (t), QN (t) Application 1 : récepteurs multi-antennes Application 2 : récepteurs multi-standards Matthieu GAUTIER – MIMO 38
  39. 39. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.2 Récepteurs multi-antennesUtilisation du multiplexage : Principe : rN ps ps ps m m m te te te r2 rN r1 r1 r2 rN r2 r1 fr´quences e fr´quences e fr´quences e Multiplexage Multiplexage Multiplexage temporel fr´quentiel e par code Application aux récepteurs radio : - Temps : Utilisation d’un commutateur rapide - Fréquence - Code Matthieu GAUTIER – MIMO 39
  40. 40. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.2 Récepteurs multi-antennes Architecture du récepteur utilisant le multiplexage : Utilisation de l’étalement de spectre Ts Ts RF Channels Filter LNAr1 (t) D´modulateur I/Q e c1 (t) ADC I π RF 2 Channels ADC Q Filter LNArN (t) OLfO cN (t) Tc Ts = NTc Matthieu GAUTIER – MIMO 40
  41. 41. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.2 Récepteurs multi-antennesIllustration du multiplexage : Matthieu GAUTIER – MIMO 41
  42. 42. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.2 Récepteurs multi-standardsArchitecture finale : c∗ [n] 1 ↓N I1 [k]r1 (t) d1 (t) c∗ [n] 2 ↓N I2 [k] c∗ [n] ↓N I3 [k] cper (t) 1 3r2 (t) d2 (t) D´modulateur I/Q e I4 [k] c∗ [n] 4 ↓N ADC d(t) I[n] cper (t) 2 π 2 Q[n]r3 (t) ADC d3 (t) c∗ [n] 1 ↓N Q1 [k] OLf0 cper (t) 3 c∗ [n] ↓N Q2 [k] 2r4 (t) d4 (t) c∗ [n] 3 ↓N Q3 [k] cper (t) 4 c∗ [n] ↓N Q4 [k] 4 Etalement de spectre Filtres adapt´s e Matthieu GAUTIER – MIMO 42
  43. 43. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.3 Récepteurs multi-standards La réception multi-standards : RF Channelsr1 (t) Filter LNA ADC I1 [n] π 2 ADC Q1 [n] OL1 f RF Channelsr2 (t) Filter LNA ADC I2 [n] π 2 ADC Q2 [n] OL2 f Matthieu GAUTIER – MIMO 43
  44. 44. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.3 Récepteurs multi-standards Multiplexage des voies : RF Channels Filter LNAr1 (t) π 2 ADC I[n] OL1 RF Channels ADC Q[n]r2 (t) Filter LNA f π 2 OL2 Matthieu GAUTIER – MIMO 44
  45. 45. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.3 Récepteurs multi-standards Technique de superposition des spectres : - Structure Double IQ -r1(t) π 2 II(t) I(t) f π 2 I1(f) I2(f) OL1 IQ(t) QI(t) π Q(t) 2 f fr2(t) π QQ(t) 2 Q1(f) Q2(f) ∆f OL2 f f Matthieu GAUTIER – MIMO 45
  46. 46. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.3 Récepteurs multi-standards Technique de superposition des spectres : - Structure Double IQ - I(f) Q (f)r1(t) π 2 II(t) I(t) f f π 2 IQ(t) II(f) QI (f) OL1 QI(t) π Q(t) 2 f fr2(t) π QQ(t) 2 IQ(f) QQ(f) ∆f OL2 f f Matthieu GAUTIER – MIMO 46
  47. 47. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.3 Récepteurs multi-standards Technique de superposition des spectres : - Recombinaison - II(f) QI(f) f fr1(t) π II(t) 2 I(t) IQ(f) QQ(f) π 2 OL1 IQ(t) QI(t) f f π Q(t) 2r2(t) π QQ(t) 2 Recombinaison : ∆f OL2 [II(f)+QQ(f)] + j [QI(f)-IQ(f)] [II(f)-QQ(f)] + j [QI(f)+IQ(f)] f f Matthieu GAUTIER – MIMO 47
  48. 48. 2. Les récepteurs multi-capteurs 2.3 Récepteurs multi-standardsArchitecture finale : RF Channels Filter LNA r1 (t) π I1 [n] 2 π Q1 [n] 2 ADC OL1 DSP RF ADC Channels Filter LNA π I2 [n] r2 (t) 2 Q2 [n] π 2 ∆f OL2 Matthieu GAUTIER – MIMO 48
  49. 49. 2. La technique MIMO2.4 ConclusionArchitecture 1 – Multiplexage par code : - Complexité réduite : Utilisation de 2 convertisseurs, - Ne dépend pas du nombre d’antennes.Architecture 2 – Superposition de spectres : - Limitée à 2 antennes, - Bande passante à numériser réduite, - Nombre de convertisseur réduit. Matthieu GAUTIER – MIMO 49
  50. 50. Conclusion Gain MISO - Gain de diversité à lémission - Gain de formation de voie - Gain de capacité multi-utilisateurs Gain SIMO - Gain de puissance (array gain) - Gain de diversité en réception - Gain de formation de voie et de réjection dinterférence Gain MIMO - Gain de diversité - Gain de Multiplexage spatialDéveloppement des techniques MIMO : La release 5 de lUMTS (W-CDMA) prévoit lutilisation du codagedAlamouti pour la voie descendante (N=2, M=1) Le dernier née de la famille 802.11 : • Appellation : 802.11n • Intègre du MIMO-ODFM (diversité fréquentiel) Et plusieurs produits propriétaires déjà disponibles Matthieu GAUTIER – MIMO 50

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