15 Juin 2015
PERSWADE (1/2) 1
PERVASIVEANDSMART WIRELESSAPPLICATIONSFOR THEDIGITALECONOMY
Préparer les étudiants à relever:
► Denouveau...
PERSWADE (2/2) 2
PARTENAIRES
Problématique(1/3) 3
► Angled’arrivéemoyen
► Étalement angulaire
LA PROPAGATIONMULTI-TRAJETS
Problématique(1/3) 3
► Angled’arrivéemoyen
► Étalement angulaire
► Étalement de Doppler
LA PROPAGATIONMULTI-TRAJETS
Problématique(3/3) 4
LE PRTOTYPAGERAPIDE
Contrainte: Réduire le «Time-to-market»
Solution: Développer uneméthode deprototy...
ECOLE NATIONALED’INGÉNIEURSDETUNIS
Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen,
l’éta...
Démarche du projet 5
Etudede
l’estimateur
conjoint
Développement dumodèle
MATLAB/Simulink
Intégration du modèle dans
unech...
PRÉSENTATION
DE L’ESTIMATEUR CONJOINT
► PRÉSENTATIONDEL’ESTIMATEUR
► CONCEPTIONMATÉRIELLE
► IMPLÉMENTATIONDU DESIGNSURLA P...
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HYPOTHÈSES ETALGORITHME
► Environnementmacro-cellulaire
► Communication uplinkvia un ca...
Présentationde l’estimateur(2/3) 7
HYPOTHÈSES ETMODÈLE MATHÉMATIQUE
2. Angled’arrivéemoyen:
3. Étalement angulaire
4. Étal...
Présentationde l’estimateur(3/3) 8
ADAPTATIONDEL’ESTIMATEURAU STANDARDLTE
► Standard LTE: période symbole Ts = 10-5 second...
CONCEPTION MATÉRIELLE
DE L’ESTIMATEUR
2
► PRÉSENTATIONDEL’ESTIMATEUR
► CONCEPTIONMATÉRIELLE
► IMPLÉMENTATIONDU DESIGNSURLA...
Conception matériellede l’estimateur(1/13) 9
OUTILSDECONCEPTION
Conception matériellede l’estimateur(2/13) 10
VUESYSTÈME
Conception matériellede l’estimateur(3/13) 11
LE CONTRÔLLEUR
► 3 machines à états finis
► Moorevs. Mealy
► Machinesde Moor...
Conception matériellede l’estimateur(4/13) 12
LE CONTRÔLLEUR
0
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d_valid = true
cmp >= 799
dataCnt > = samples_num -1
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LE CONTRÔLLEUR
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enable = true
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Finish_xcorr
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LE DATAPATH
► Ensemble des fonctions pour manipulerle signal reçu
► Unitéari...
Conception matériellede l’estimateur(6/13) 14
LE DATAPATH
CH1
SAMPLE
RAM
CH2
SAMPLE
RAM
CORDIC
ATAN
CORDIC
ATAN
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ARSIN
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Conception matériellede l’estimateur(7/13) 15
LE DATAPATH
► Les look-up tables adresse valeur
0 cos(min)
1 ..
2 ..
4 ..
…
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Conception matériellede l’estimateur(8/13) 16
LE DATAPATH
► Optimisation des ressources
Re-Imto Complex Complexto Re-Im
10...
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RESSOURCESREQUISESET PERFORMANCE
Allocation des ressources %
Slices 507 1,03...
Conception matériellede l’estimateur(10/13) 18
RESSOURCESREQUISESET PERFORMANCE
Nombrede cycles d’horloge Temps d’exécutio...
Conception matériellede l’estimateur(11/13) 19
CONCEPTIONDELA CHAÎNEDECOMMUNICATIONSIMO
Émetteur QPSK
Diagramme deconstell...
Conception matériellede l’estimateur(12/13) 20
TESTETVALIDATIONDU DESIGN PAR SAO
► Approche de conception « down-to-top»
►...
Conception matériellede l’estimateur(13/13) 21
TESTETVALIDATIONDU DESIGN PAR SAO
Test unitaire
Conception matériellede l’estimateur(13/13) 21
TESTETVALIDATIONDU DESIGN PAR SAO
Test d’intégration
IMPLÉMENTATION DU
DESIGN SURLA
PLATEFORME
3
► PRÉSENTATIONDEL’ESTIMATEUR
► CONCEPTIONMATÉRIELLE
► IMPLÉMENTATION DUDESIGNS...
Implémentationdans la plateforme (1/4) 22
Station detravail
1
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1. Nutaq MBDK Host
2. Nutaq PicoSDR 2x2
3. EB Propsim Ch...
Implémentationdans la plateforme (2/4) 23
Préparation à la co-simulation
► Mux (Tx) et Demux (Rx) I/Q
► des cartes Radio42...
Implémentationdans la plateforme (3/4) 24
Génération dubitstream
► Configuration de la plateforme cible: horloge 12,5ns
► ...
Implémentationdans la plateforme (4/4) 25
Configuration del’émulateurdecanal
► Configuration (SISO/SIMO/MISO/MIMO)
► SNR
►...
CO-SIMULATION
ET RÉSULTATS
4
► PRÉSENTATIONDEL’ESTIMATEUR
► CONCEPTIONMATÉRIELLE
► IMPLÉMENTATIONDU DESIGNSURLA PLATEFORME...
Co-simulationet résultats(1/3) 26
Hadware-in-the-loop co-simulation
► CommunicationGigaEthernet
► Interfacede débogage et ...
Co-simulationet résultats(2/3) 27
Résultats
Co-simulationet résultats(2/3) 27
Résultats
Co-simulationet résultats(3/3) 28
Limites
► Bruit d’amplificateurs de puissance
► Bruit de préamplificateurs micro-ondes
►...
CONCLUSION
ET PERSPECTIVES
Conclusion etperspectives (1/2) 329
2
Conclusion
► Modèle MATLABde l’estimateur conjoint selon le standard LTE
► Modèle em...
Conclusion etperspectives (2/2) 30
Perspectives
► Scénarios de co-simulation
► Effet HF dans le modèle mathématique du sig...
ECOLE NATIONALED’INGÉNIEURSDETUNIS
Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen,
l’éta...
Annexe 1
Etude del’estimateur conjoint
Annexe
BENCHMARK
Angle d’arrivée
moyen
Étalement angulaire Étalement de Doppler
Two-Stage (TS)
Spread-Root-MUSIC(SRM)
Two-...
Annexe
NRMSEDE L’ESTIMÉEDEL’ANGLED’ARRIVÉEMOYEN
Annexe
NRMSEDE L’ESTIMÉEDEL’ÉTALEMENTANGULAIRE
Annexe
NRMSEDE L’ESTIMÉEDEL’ÉTALEMENTDEDOPPLER
Annexe
ORDREDE COMPLEXITÉ EN TERMEDU NOMBRED’OPÉRATIONSENVIRGULEFLOTTANTE
New JE TS SRM TR TS+TR
25575 25 600 128000 40 92...
Annexe
ADAPTATIONDEL’ESTIMATEURAU STANDARDLTE
Période symbole
Annexe
ADAPTATIONDEL’ESTIMATEURAU STANDARDLTE
Nombred’échantillons
Annexe
ADAPTATIONDEL’ESTIMATEURAU STANDARDLTE
Période d’échantillonnage
64Ts 64Ts
Temps
Ts
Annexe 2
Design détaillé
Annexe
Design
Annexe
TransmitterQPSK
Annexe
Registre à décalage à retroaction linéraire LFSR
Annexe
Modulateur QPSK
Annexe
Cross-correlation
Annexe
New JE
Annexe
AoA process
Annexe
ASprocess
Annexe
DSprocess
Annexe
ChannelSIMO
Annexe
CO-SIMULATION
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[Présentation PFE] Conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle d'arrivée moyen, de l'étalement angulaire et de l'étalement de Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA

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ENIT Tunisia - Wireless Lab, INRS, Canada.

Publié dans : Ingénierie
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[Présentation PFE] Conception et implémentation d'un estimateur conjoint de l'angle d'arrivée moyen, de l'étalement angulaire et de l'étalement de Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA

  1. 1. 15 Juin 2015
  2. 2. PERSWADE (1/2) 1 PERVASIVEANDSMART WIRELESSAPPLICATIONSFOR THEDIGITALECONOMY Préparer les étudiants à relever: ► Denouveaux défis technologiques ► Denouveauxproblèmes d'intégration spécifiques à l'application ► Unenouvelle cultureindustrielle
  3. 3. PERSWADE (2/2) 2 PARTENAIRES
  4. 4. Problématique(1/3) 3 ► Angled’arrivéemoyen ► Étalement angulaire LA PROPAGATIONMULTI-TRAJETS
  5. 5. Problématique(1/3) 3 ► Angled’arrivéemoyen ► Étalement angulaire ► Étalement de Doppler LA PROPAGATIONMULTI-TRAJETS
  6. 6. Problématique(3/3) 4 LE PRTOTYPAGERAPIDE Contrainte: Réduire le «Time-to-market» Solution: Développer uneméthode deprototypage rapide: les plateformes radio-logicielles SDRSOFTWAREDEFINEDRADIO ► Reconfigurables (à base de FPGAs) ► Conception à haut niveau d’abstraction
  7. 7. ECOLE NATIONALED’INGÉNIEURSDETUNIS Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen, l’étalement angulaire et l’étalement du Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA PROJET DE FIN D’ÉTUDES POURL’OBTENTION DU DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR EN TÉLÉCOMMUNICATIONS Présenté par: Yassine SELMI Encadré par: M. Faouzi BAHLOUL -ENIT M. Rabah ATTIA– ENIT M. Abdelaziz SAMET -INRSEMT M. Sofiène AFFES– INRSEMT
  8. 8. Démarche du projet 5 Etudede l’estimateur conjoint Développement dumodèle MATLAB/Simulink Intégration du modèle dans unechaîneSIMO Test etvalidation du modèle par SAO Génération ducanal radio Implémentation ettest del’estimateur 1 2 3 4 5 6
  9. 9. PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR CONJOINT ► PRÉSENTATIONDEL’ESTIMATEUR ► CONCEPTIONMATÉRIELLE ► IMPLÉMENTATIONDU DESIGNSURLA PLATEFORME ► CO-SIMULATIONETRÉSULTATS 1
  10. 10. Présentationde l’estimateur(1/3) 6 HYPOTHÈSES ETALGORITHME ► Environnementmacro-cellulaire ► Communication uplinkvia un canalde Rayleigh ► Communication Single-InputMultiple-Output (SIMO) Signal reçu en bandede base à la ième antenne: y x Station de base dkl mobile
  11. 11. Présentationde l’estimateur(2/3) 7 HYPOTHÈSES ETMODÈLE MATHÉMATIQUE 2. Angled’arrivéemoyen: 3. Étalement angulaire 4. Étalement de Doppler 1. Intercorrélation spatio-temporelle
  12. 12. Présentationde l’estimateur(3/3) 8 ADAPTATIONDEL’ESTIMATEURAU STANDARDLTE ► Standard LTE: période symbole Ts = 10-5 secondes ► Estimateur développé sur unepériode symbole Ts = 60.10-5 secondes = 1/1500secondes ► Période symbole : Ts = 10-5 secondes ► Période d’échantillonnage : Téch= 64.Ts = 64.10-5 secondes ► Nombred’échantillons: Ns = 1024 ► Duréed’observation: T = Téch.Ns = 0,65secondes
  13. 13. CONCEPTION MATÉRIELLE DE L’ESTIMATEUR 2 ► PRÉSENTATIONDEL’ESTIMATEUR ► CONCEPTIONMATÉRIELLE ► IMPLÉMENTATIONDU DESIGNSURLA PLATEFORME ► CO-SIMULATIONETRÉSULTATS
  14. 14. Conception matériellede l’estimateur(1/13) 9 OUTILSDECONCEPTION
  15. 15. Conception matériellede l’estimateur(2/13) 10 VUESYSTÈME
  16. 16. Conception matériellede l’estimateur(3/13) 11 LE CONTRÔLLEUR ► 3 machines à états finis ► Moorevs. Mealy ► Machinesde Moore: les sorties nedépendent que de l’état courant ► Synchronisation entrele contrôleur et le Datapath ► MCode: Programmer des machinesà états finis avec le langage MATLAB
  17. 17. Conception matériellede l’estimateur(4/13) 12 LE CONTRÔLLEUR 0 1 2 3 d_valid = true cmp >= 799 dataCnt > = samples_num -1 d_valid d_valid = false dataCnt < samples_num-1 cmp < 799 INIT cmp = 0 dataCnt = 0 we = false en_add = false allow = false SYNC cmp =cmp+1 we = false en_add = false STORE cmp =1 dataCnt = dataCnt +1 we = true en_add = true FINISH cmp =0 dataCnt = 0 we = false en_add = false allow = true 0 1 2 enable = true dataCnt+tau > =samples_num-1 Finish_acquisition enable = false dataCnt+tau <samples_num-1 INIT dataCnt = 0 addr1 = -1 addr2 = -1 accu_rst = true accu_en = false we = false ACCU dataCnt= dataCnt +1 addr1 = dataCnt addr2 = dataCnt+tau accu_rst = false accu_en = true we = false FINISH dataCnt = 0 addr1 = -1 addr2 = -1 accu_rst = false accu_en = false we = true allow = trueAcquisition FSM xcorrFSM
  18. 18. Conception matériellede l’estimateur(4/13) 12 LE CONTRÔLLEUR 0 1 2 enable = true finish_calc = true Finish_xcorr enable = false finish_calc = false INIT tryCnt = 0 retry = false we = false allow = false COMPUTE retry = false we = false FINISH tryCnt = 0 we = false retry = false allow = true 4 STORE tryCnt = tryCnt+1 retry = false we = true RETRY retry = true we = false tryCnt>=iteration finish_calc tryCnt<iteration 3 JEFSM
  19. 19. Conception matériellede l’estimateur(5/13) 13 LE DATAPATH ► Ensemble des fonctions pour manipulerle signal reçu ► Unitéarithmétique etlogique (ALU) ► 3 blocs: Acquisition + cross-correlation + newJE
  20. 20. Conception matériellede l’estimateur(6/13) 14 LE DATAPATH CH1 SAMPLE RAM CH2 SAMPLE RAM CORDIC ATAN CORDIC ATAN X ARSIN LUT |.| |.| SQRT(-LOG) LUT SQRT(-LOG) LUT X COS |.| SQRT(-LOG) LUT (.)² CORDIC DIVIDER X COS CORDIC ATAN SIN (.)² SQRT LUT ACCUACCU CORDIC DIVIDER CORDIC DIVIDER REG R11(1) REG R12(1) REG R12(10 0) ACCU CORDIC DIVIDER NEW JEBLOCKCROSS-CORRELATION COMPUTING BLOCK ACQUISITION BLOCK RECEIVED SIGNAL CH1 RECEIVED SIGNAL CH2 MEAN AoA PROCESS AS PROCESS DS PROCESS
  21. 21. Conception matériellede l’estimateur(7/13) 15 LE DATAPATH ► Les look-up tables adresse valeur 0 cos(min) 1 .. 2 .. 4 .. … 2N -2 .. 2N -1 cos(max)
  22. 22. Conception matériellede l’estimateur(8/13) 16 LE DATAPATH ► Optimisation des ressources Re-Imto Complex Complexto Re-Im 10,110…01 00,100…10 10110…01 00100…10 Fix16 Fix16 UFix3210110…01 00100…10
  23. 23. Conception matériellede l’estimateur(9/13) 17 RESSOURCESREQUISESET PERFORMANCE Allocation des ressources % Slices 507 1,03% LUTs 298 0,15% BRAMs 124Kb 2,43% Flip Flops 531 0,13%
  24. 24. Conception matériellede l’estimateur(10/13) 18 RESSOURCESREQUISESET PERFORMANCE Nombrede cycles d’horloge Temps d’exécution Acquisition 65536x800 65536µs Cross-correlation 1023 12,78µs NewJE Mean AoA 29 0,36µs AS 68 0,85µs DS 76 0,95µs Total 52.429.996 0,65537495secondes
  25. 25. Conception matériellede l’estimateur(11/13) 19 CONCEPTIONDELA CHAÎNEDECOMMUNICATIONSIMO Émetteur QPSK Diagramme deconstellation ► Générateurdebits pseudo-aléatoire (basé sur unestructure LFSR) ► Modulateur QPSK (Look-up table) ► File FIFOpour contrôler le rythmed’émission
  26. 26. Conception matériellede l’estimateur(12/13) 20 TESTETVALIDATIONDU DESIGN PAR SAO ► Approche de conception « down-to-top» ► Exploitation des MATLAB/Simulink blocks pour tester le design au lieu dedévelopper les testbenchs ► Exemples:Scope, ToWorkspace,WaveScope…
  27. 27. Conception matériellede l’estimateur(13/13) 21 TESTETVALIDATIONDU DESIGN PAR SAO Test unitaire
  28. 28. Conception matériellede l’estimateur(13/13) 21 TESTETVALIDATIONDU DESIGN PAR SAO Test d’intégration
  29. 29. IMPLÉMENTATION DU DESIGN SURLA PLATEFORME 3 ► PRÉSENTATIONDEL’ESTIMATEUR ► CONCEPTIONMATÉRIELLE ► IMPLÉMENTATION DUDESIGNSURLA PLATEFORME ► CO-SIMULATIONETRÉSULTATS
  30. 30. Implémentationdans la plateforme (1/4) 22 Station detravail 1 2 3 1. Nutaq MBDK Host 2. Nutaq PicoSDR 2x2 3. EB Propsim ChannelEmulator
  31. 31. Implémentationdans la plateforme (2/4) 23 Préparation à la co-simulation ► Mux (Tx) et Demux (Rx) I/Q ► des cartes Radio420xde NutaqPicoSDR ► Ajout des registres decontrôle ► Ajout d’unemémoire SDRAM
  32. 32. Implémentationdans la plateforme (3/4) 24 Génération dubitstream ► Configuration de la plateforme cible: horloge 12,5ns ► Compilation: Perseus601x ► Xilinx iMPACT: Chargerle bitstream dans la RAM de la plateforme
  33. 33. Implémentationdans la plateforme (4/4) 25 Configuration del’émulateurdecanal ► Configuration (SISO/SIMO/MISO/MIMO) ► SNR ► Fréquenceporteuse ► Covariance entreles antennes ► Fréquencede Doppler ► Bilan de puissance
  34. 34. CO-SIMULATION ET RÉSULTATS 4 ► PRÉSENTATIONDEL’ESTIMATEUR ► CONCEPTIONMATÉRIELLE ► IMPLÉMENTATIONDU DESIGNSURLA PLATEFORME ► CO-SIMULATIONET RÉSULTATS
  35. 35. Co-simulationet résultats(1/3) 26 Hadware-in-the-loop co-simulation ► CommunicationGigaEthernet ► Interfacede débogage et decontrôle ► 10.000boucles de Monte-Carlo
  36. 36. Co-simulationet résultats(2/3) 27 Résultats
  37. 37. Co-simulationet résultats(2/3) 27 Résultats
  38. 38. Co-simulationet résultats(3/3) 28 Limites ► Bruit d’amplificateurs de puissance ► Bruit de préamplificateurs micro-ondes ► Bruit dephase des oscillateurs VCO ► Bruit de connexion entreNutaq PicoSDR etl’émulateur de canal ► Bilan de puissance ► Représentation des données limitées: virgulefixe ► Précision limitéedes fonctions implémentées avec des LUTs Causes internes Causes externes
  39. 39. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
  40. 40. Conclusion etperspectives (1/2) 329 2 Conclusion ► Modèle MATLABde l’estimateur conjoint selon le standard LTE ► Modèle embarqué avec Xilinx System Generator ► SAOdu design proposé ► Design dans uneplateforme radio logicielle ► Test dufonctionnement de l’estimateur
  41. 41. Conclusion etperspectives (2/2) 30 Perspectives ► Scénarios de co-simulation ► Effet HF dans le modèle mathématique du signal ► Étude d’autres distributions angulaires ► Application réelle: Antennesintelligentes
  42. 42. ECOLE NATIONALED’INGÉNIEURSDETUNIS Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen, l’étalement angulaire et l’étalement du Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA PROJET DE FIN D’ÉTUDES POURL’OBTENTION DU DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR EN TÉLÉCOMMUNICATIONS Présenté par: Yassine SELMI Encadré par: M. Faouzi BAHLOUL -ENIT M. Rabah ATTIA– ENIT M. Abdelaziz SAMET -INRSEMT M. Sofiène AFFES– INRSEMT
  43. 43. Annexe 1 Etude del’estimateur conjoint
  44. 44. Annexe BENCHMARK Angle d’arrivée moyen Étalement angulaire Étalement de Doppler Two-Stage (TS) Spread-Root-MUSIC(SRM) Two-Rays(TR) New Joint Estimator (newJE)
  45. 45. Annexe NRMSEDE L’ESTIMÉEDEL’ANGLED’ARRIVÉEMOYEN
  46. 46. Annexe NRMSEDE L’ESTIMÉEDEL’ÉTALEMENTANGULAIRE
  47. 47. Annexe NRMSEDE L’ESTIMÉEDEL’ÉTALEMENTDEDOPPLER
  48. 48. Annexe ORDREDE COMPLEXITÉ EN TERMEDU NOMBRED’OPÉRATIONSENVIRGULEFLOTTANTE New JE TS SRM TR TS+TR 25575 25 600 128000 40 920000 41 048000
  49. 49. Annexe ADAPTATIONDEL’ESTIMATEURAU STANDARDLTE Période symbole
  50. 50. Annexe ADAPTATIONDEL’ESTIMATEURAU STANDARDLTE Nombred’échantillons
  51. 51. Annexe ADAPTATIONDEL’ESTIMATEURAU STANDARDLTE Période d’échantillonnage 64Ts 64Ts Temps Ts
  52. 52. Annexe 2 Design détaillé
  53. 53. Annexe Design
  54. 54. Annexe TransmitterQPSK
  55. 55. Annexe Registre à décalage à retroaction linéraire LFSR
  56. 56. Annexe Modulateur QPSK
  57. 57. Annexe Cross-correlation
  58. 58. Annexe New JE
  59. 59. Annexe AoA process
  60. 60. Annexe ASprocess
  61. 61. Annexe DSprocess
  62. 62. Annexe ChannelSIMO
  63. 63. Annexe CO-SIMULATION

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