Formation de voies en transmission dans un système de communications sans-fil

7/30/2019 Formation de voies en transmission dans un systme de communications sans-fil

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Formation de voies en transmission

dans un systme de communications

sans-fil IEEE 802.11n

Michel Thriault

Directeur

Sbastien RoyUniversit Laval

Directeur Olivier Sentieys

Universit de Rennes 1

19 juin 2009Sminaire au vert


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Plan de la prsentation

Introduction Contexte gnral et problmatique Objectifs du projet de recherche

Notions de base

MIMO OFDM MIMO-OFDM et Standard 802.11n


Utilisant le DOA Utilisant la matrice canal Avec rtroaction

Transmetteur

Conclusion


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Contexte gnral

Afin de rpondre aux demandes croissantes, lesnouveaux systmes de communicationncessitent: De plus hauts taux de transmission

Une meilleure efficacit spectrale

Une plus grande porte

En combinant la technique MIMO et la technique

OFDM il est possible de sapprocher de ces buts


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Problmatique

Lestimation du canal avant dans les systme MIMOest une opration complexe, mais ncessaire afindavoir une capacit similaire en aval et en amont

dun systme de communications

La connaissance du canal avant permet deffectuerla formation de voies en transmission (transmitbeamforming) afin de Maximiser la puissance des signaux reus par chaque

usager Minimiser linterfrence perue par chaque usager


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Introduction Notions de base

MIMO

OFDM

MIMO-OFDM et Standard 802.11n

Formation de voie en transmission

Transmetteur

Conclusion


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MIMO

TX 1

TX 2

TX MT

RX 1

RX 2

RX MR

111

2 22

1

2

2

2

1

1

T

RR

T

R TM MM

M

M

M

h

h

h

h

h

h

h

h

h

H

H


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MIMO

Antennes multiples en transmission et en rception Les donnes sont transmises sur des antennes de

transmission multiples la mme frquence porteuse

Grce aux parcours multiples, chaque antenne derception reoit une combinaison diffrente dessymboles transmis

Si les combinaisons de symboles reus sontsuffisamment diffrentes, on peut diffrencier les flotsde donnes et augmenter la capacit du systme


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Avantages du MIMO

Augmente le taux de transmission de donnesgrce une grande efficacit spectrale

Exploite les parcours multiples

Permet une plus grande porte dmission Augmente la fiabilit

Naffecte pas lutilisation du spectre de

frquences

Attnue les effets de linterfrence


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OFDM

La modulation OFDM (multiplexage par rpartitionorthogonale de la frquence) est une technique quidivise la bande de frquence en Nsous-canaux(ou sous-porteuses) orthogonaux et uniformes

Frquence

Canal


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OFDM

Domaine temporel Domaine frquentiel


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Avantages de lOFDM

La diminution des taux de transmission et lajout deprfixes cycliques permet dliminer ou de limiter

linterfrence intersymboles et de simplifier

lgalisation au rcepteur

Les effets des parcours multiples d auxvanouissements slectifs en frquence sont rduitsen divisant le spectre en Nsous-porteuses ayant desvanouissements plats

Le chevauchement en frquence des sous-porteusespermet de conserver une grande efficacit spectrale


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MIMO-OFDM

Les techniques MIMO et OFDM procurent desavantages complmentaires et peuvent treregroupes de manire naturelle pour former leMIMO-OFDM

Le standard 802.11n prsente une structure debase idale, tant donn les caractristiques dusystme tudi


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Standard 802.11n

5 m

1 Mbps 10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps

Taux de transmission maximum100 kbps

50 m

500 m

Por

te

1GWLAN

802.11

1-2 Mbps

3GWLAN

802.11a/g

6-54 Mbps

2GWLAN

802.11b

5.5-11 Mbps

4GWLAN

802.11n

> 100 Mbps


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Utilisant le DOA

Utilisant la matrice canal

Avec rtroaction

Transmetteur

Conclusion


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La formation de voies en transmission est uneapproche par pr-filtrage spatial qui permet unetransmission slective dans lespace en utilisant une

connaissance instantane ou long terme du canal

Dans les communications sans-fil, on lutilisegnralement pour: Augmenter la puissance du signal reu par un usager

Diminuer linterfrence perue par les autres usagers


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Elle consiste pondrer le signal transmis parchaque antenne afin dorienter le signal global du

rseau dantenne


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Formation de voies utilisant le DOA

Sous certaines conditions, il est possible dutiliser ladirection darrive (DOA) des signaux au transmetteur Pour ce faire on utilise la notion de vecteur directionnel,

qui est une fonction de langle darrive et de laconfiguration du rseau dantennes

Pour un rseau linaire uniforme (ULA), par exemple, levecteur directionnel est donn par:

2 cos 2 1cos

1

s sT

C C

d dj j M

e e

a


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DOAFaible talement angulaire

Si ltalement angulaire est faible, on peut utiliser leDOA moyen dun usager pour reprsenter sadirection darrive

Si on ne tient compte que de lusager dsir, on

peut utiliser la formation de voie conventionnelle, quiforme directement les poids partir du vecteurdirectionnel

Si on dsire aussi minimiser linterfrence peruepar les autres usagers, on peut utiliser lapproche

MVDR, qui utilise une matrice de covariancespatiale pour reprsenter les directionsdinterfrence, en plus du vecteur directionnel


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DOAFaible talement angulaire


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DOALarge talement angulaire

Pour un large talement angulaire, les diffrentsparcours ne peuvent pas tre regroups dans leDOA moyen

On doit alors utiliser les matrices de covariancespatiale des diffrents usagers

Puisque cette matrice ncessite une connaissancedu canal, une boucle de rtroaction est ncessairepour effectuer la formation de voies dans cettesituation

Lapproche par DOA napporte donc pas vraimentdavantages sur une approche utilisant laconnaissance du canal dans ce cas


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laide de la matrice canal

partir de cette dcomposition, on peut valuer les poidspour la formation de voies par vecteurs propres(eigenbeamforming)

La matrice U, qui contient les vecteurs propres de la matrice

H, peut tre directement utilise pour effectuer le pr-filtragespatial Cette technique ncessite une connaissance complte du

canal au transmetteur

Soit la matrice canal H de dimensions MTx MR On peut effectuer une dcomposition en valeurs singulire de

cette matrice pour obtenir:

H=UDVH


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Formation de voies avec rtroaction

Linformation sur le canal nest gnralement pasdisponible au transmetteur

La rtroaction permet de transmettre lestim du

canal effectu par le rcepteur au transmetteur

Linformation sur le canal obtenue par rtroaction esttoutefois partielle et imparfaite. Elle est soumise des dlais de rtroaction

des erreurs de rtroaction

des erreurs destimation

F i d i


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Formation de voies par

rtroaction implicite

Si le canal est rciproque, on peut utiliserlestimation du canal obtenu par la liaison

descendantepour effectuer la formation devoies de la liaison montante

On peut donc valuer les poids directement autransmetteur sans rtroaction depuis lercepteur

Il faut tout de mme effectuer une tape decalibration


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Calibration

KA

ATX

HAB

BRX

ARX

HBA

BTX

KB

STA B

STA A

HBA

~

HAB

~


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Calibration

HAB

=HBA

T

HAB H

BA

T

HABKA=[HBKB]

T

Mme sil y a rciprocit dans le canal de transmission, cetterciprocit nest plus applicable si on tiens compte des

chanes de transmission et de rception

Il faut donc calibrer les transmetteurs en valuant KA et KB.


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Calibration

Transmettre un signal sonde de A vers B afindvaluer

Transmettre un signal sonde de B vers A afindvaluer

Transmettre les canaux estims de A vers B et deB vers A

Utiliser les estims locaux et les estims reuspour valuerK

A

et KB

HAB

HBA

F i d i


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Formation de voies par

rtroaction explicite

Sil ny a pas de rciprocit dans le canal, il fauteffectuer une rtroaction explicite Dans ce cas, le rcepteur doit retourner de

linformation sur le canal au transmetteur

On utilise gnralement les mthodes suivantespour retourner linformation: Transmission de la matrice canal au complet (ou dune

version quantifie de cette matrice) Transmission du vecteur de poids valus par le rcepteur Transmission du numro du vecteur de poids choisi par le

rcepteur dans un codebook connu du rcepteur et dutransmetteur


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Rtroaction de la matrice canal

Cette mthode ncessite la rtroaction la plus lourde Elle affecte plus la capacit globale du systme

Le dlai entre les rtroactions est plus grand, ce qui nuit loptimalit de la formation de voies

Elle offre plus de flexibilit au transmetteur Il peut, par exemple, mettre en commun linformation de

tous les usagers pour optimiser ses diagrammes derayonnement

La quantification permet de rduire limportance de lartroaction


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Rtroaction du vecteur de poids

Puisque le rcepteur possde un estim de lamatrice canal, il peut directement calculer les poidsqui seront utiliss par le transmetteur pour laformation de voies

Ces vecteurs de poids sont plus petits que lesmatrices canal (MT x 1 au lieu de MT x MR)

Le rcepteur ne connat pas linformation de tous les

usagers, il ne peut donc quoptimiser le signal qui lui

est transmis sans considrer linterfrence


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Rtroaction laide dun codebook

Si on gnre au pralable une liste (un codebook )de vecteur de poids connue du transmetteur et durcepteur, ce dernier peut choisir le meilleur vecteurdans cette liste

La rtroaction se limite donc quelques bits, soit lenumro du vecteur dans la liste

Cette technique permet aussi de remplacer uneopration complexe comme la SVD par une simpleslection parforce brute

Encore une fois cette technique permet uniquementdoptimiser le choix pour un usager


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Transmetteur

Conclusion


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Transmetteur

Prfixe

cyclique

Prfixe

cyclique

1

MT

P/SIFFT 1

1

N

Donnes de

la sous-

porteuse 1

Donnes de

la sous-

porteuse N


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Transmetteur

Prfixe

cyclique

Prfixecyclique

1

MT

P/SIFFT 1

1

N

Donnes de

la sous-

porteuse 1

Donnes de

la sous-

porteuse N

Formation

de voies


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Transmetteur

Formation

de voies

w1 IFFT 1 P/S

Prfixe

cyclique

IFFT MT P/S

Prfixe

cycliqueFormation

de voies

wN

MT

MT

1

1

1

N

1

N

MT

1

Donnes de

la sous-porteuse 1

Donnes de

la sous-

porteuse N


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Conclusion

Lutilisation de la formation de voies en transmissiondans un systme MIMO-OFDM peut apporter desgains de performance intressant si on peut attnuerle problme de lestimation du canal avant

Lestimation du canal au niveau du rcepteur est une

tape trs utile, mme sans rtroaction Il existe plusieurs mthodes permettant de rduire

limpact de la rtroaction sur la capacit du systme


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