Partie 2: Gestion de l'interférence entre utilisateurs
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Partie 2:Gestion de l’interférence entre utilisateurs
Philippe Ciblat
Télécom ParisTech, France
Section 2.1 : CDMA
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Plan
Etalement de spectre? Principe? Intérêt
L’accès multiple à répartition par codes (AMRC/CDMA) :? Synchrone / Descendant? Asynchrone / Montant? Codes d’étalement (modes synchrone et asynchrone)
Récepteurs? Détection mono-utilisateur
− Récepteur Rake? Détection multi-utilisateur
− Maximum de vraisemblance (ML)− Récepteurs linéaires (ZF, MMSE)− Récepteurs non-linéaires (DFE, SIC et PIC)
PerformancesPhilippe Ciblat Gestion de l’interférence entre utilisateurs 2 / 1
Etalement de spectre
1 Moyen de transmission pour lequel les données occupent unebande largement supérieure à la bande minimale requise.⇒ étalement de la bande
2 Cet étalement est accompli au niveau de l’émission par le biaisd’un code indépendant des données.L’utilisation de ce code au récepteur permet de désétaler lesignal et donc de retrouver les données originales.
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Exemple (I)Soient
s(t) signal d’intérêt de bande 1/Ts
b(t) bruit à bande étroite de bande 1/Ts
c(t) fonction d’étalement de bande 1/Tc � 1/Ts t.q. |c(t)|2 = 1.
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RSB =0dB
Filtrage
passe−bande
Etalement
d’un facteur N
Désétalement
du signal d’intérêt
.
Gain d’étalement (en Rapport Signal-à-Bruit) : N = TsTc
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Exemple (II)
Utilisateur 1 : s(1) → y(1) = [c(1)1 s(1), c(1)
2 s(1)]
Utilisateur 2 : s(2) → y(2) = [c(2)1 s(2), c(2)
2 s(2)]
⇒ Etalement de spectre d’un facteur 2⇒ Séparation possible des utilisateurs (par projection)
Soient c(1) = [c(1)1 , c(1)
2 ] et c(2) = [c(2)1 , c(2)
2 ] tels que
< c(1)|c(2) >= 0
Si la réception est synchrone, alors{s(1) = < c(1)|y(1) + y(2) >s(2) = < c(2)|y(1) + y(2) >
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Avantages
Lutte contre les brouilleurs
Camouflage l’information? Interception délicate? Décodage difficile si code c(t) inconnu
Bonne résistance aux brouilleurs du même type? Faible intercorrélation entre les codes c1(t) et c2(t)? Facile séparation d’un empilement de signaux étalés
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Applications
Domaine militaire? Origine de la technique par étalement de spectre? Communications indétectables et non-brouillées
Domaine civil? Accès multiple? Radio cognitive
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Systèmes multi-utilisateurs
Principe
Faire cotoyer plusieurs utilisateurs dans le même tuyau
Créer des signaux séparables entre eux⇒ orthogonaux
AMRT/TDMA : séparation temporelle? système rigide? synchronisation absolue requise
AMRF/FDMA : séparation fréquentielle? système rigide? batterie de bancs de filtres
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Séparation par codes et étalement
AMRC/CDMA : séparation par codes⇒ étalement de spectre
Avantages :gestion simple (MAC : Multiple Access Layer)diversité fréquentielle (signal sur large bande)diversité temporelle (signal émis « redondant »)
Techniques :Saut de temps/Time-HoppingSaut de fréquence/Frequency-HoppingSéquence directe/Direct Sequence
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Liens descendant et montant
.
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�������������������������������������
Station de base Station de base
Terminal mobile
SYSTEME SYNCHRONE SYSTEME ASYNCHRONE
LIEN MON TANT (HYP : CANAL GAUSSIEN)LIEN DESCENDANT (HYP : CANAL GAUSSIEN)
.
Canal multi-trajet (descendant ou montant)⇒ problématique similaire au cas « asynchrone »
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Modèle du signal émis
Forme d’onde de l’utilisateur k
x (k)(t) =M−1∑m=0
s(k)m h(k)(t −mTs) avec h(k)(t) =
N−1∑n=0
c(k)n g(t − nTc)
oùg(t) filtre de mise en forme (de bande ∝ 1/Tc)Tc temps bribe/chip, Ts temps symboleM nombre de symboles d’information transmisN = Ts/Tc facteur d’étalement
{c(k)n }n séquence de bribe de période N associée à l’utilisateur k
{s(k)m }m∈Z séquence des symboles de l’utilisateur k
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Modèle du signal reçu
Système asynchrone :atténuation λ(k) et retard τ (k) pour l’utilisateur kBruit gaussien blanc additif b(t)K utilisateurs. Généralement K ≤ N
y(t) =K−1∑k=0
λ(k)x (k)(t − τ (k)) + b(t)
Séparation des utilisateurs⇒ on souhaite
< c(k)(τ)|c(k ′)(τ ′) >≈ δτ,τ ′δk,k ′
avec c(k)(τ) = [c(k)τ , · · · c(k)
(N−1+τ) mod N ] de longueur N et décalé de τ
indice k corrélation inter-utilisateur (IMU/MUI)indice τ corrélation inter- et intra-utilisateur (IES/ISI)
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Construction de séquences
Synchrone : Pas d’IES⇒ annulation de l’intercorrélation
< c(k)(τ)|c(k ′)(τ) >= δk,k ′
Condition admissible si K ≤ NSéquence de Walsh-Hadamard
Asynchrone : atténuation de l’IES et de l’IMU
Condition d’orthogonalité impossibleSéquences pseudo-aléatoires (PN) de Gold et Kasami
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Mode synchone : séquence de Walsh-Hadamard
Méthode de construction :Soit N = 2P .
H0 = [1]
Hp =
[Hp−1 Hp−1Hp−1 −Hp−1
]⇒ HP matrice N × N orthogonale (à diviser par
√N)
Remarques :Impossible de trouver (N + 1) utilisateurs orthogonaux
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Mode asynchrone : séquence PN
Soientc(1)
n et c(2)n deux p.a. stationnaires, indépendants et blanc
r11(τ) = E[c(1)n c(1)
n+τ ] = δ(τ)
r22(τ) = E[c(2)n c(2)
n+τ ] = δ(τ)
r12(τ) = E[c(1)n c(2)
n+τ ] = 0
< c(1)(0)|c(2)(τ) >= 1N
∑N−1n=0 c(1)
n c(2)n+τ les corrélations
empiriquesOn a E[| < c(1)(0)|c(2)(τ) > −r12(τ)|2] ≈ 1/N
⇒ Corrélations de l’ordre de 1/√
N⇒ Performances liées à la charge du système α = K/N
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Récepteurs
Mode synchrone :Technique triviale si codes orthogonaux employés
Mode asynchrone :Formellement regroupe les cas? « lien montant asynchrone »? « canaux multi-trajets »? « codes non-orthogonaux »
Techniques de réception? Réception mono-utilisateur⇒ interférence multi-utilisateur = bruit
? Réception multi-utilisateur⇒ structure de l’interférence multi-utilisateur utilisée
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Rappel : filtre adapté
y(t) =M−1∑m=0
smf (t −mTs) + bruit
Si bruit gaussien blanc indépendant, alors on doit, pour êtreoptimal, projeter sur {f (t −mTs)}m
On a < y(t)|f (t −mTs) >= f (−t) ? y(t)|t=mTs : filtre adapté + unéchantillonneurDe plus, si la famille {f (t −mTs)}m est orthogonale, alorsdétecteur à seuil suit l’échantillonneur
ym =< y(t)|f (t −mTs) >
.
y(t) ymmTs
f(−t)sm
.
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Récepteur en râteau (I)Contexte canal multi-trajet : Rake receiver (1958)
y(t) =M−1∑m=0
s(k)m
L−1∑`=0
λ(k)` h(k)(t −mTs − τ (k)` ) + autres utilisateurs + bruit
Filtre adapté tronqué + détecteur à seuil
y (k)m =< y(t)|
∑`∈L
λ(k)` h(k)(t −mTs − τ (k)` ) >
.
y(t)
g(−t)
g(−t)
g(−t)
. . .
s(k)m
y(k)m
Désétalement
. . .
λ(k)2
λ(k)1
λ(k)L′
mTc + τ(k)1
mTc + τ(k)2
mTc + τ(k)L′
.
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Récepteur en râteau (II)
Effet plancher possible
y (k)m = λ(k)s(k)
m + bruit
+∑
m′,k ′ 6=k
λ(k′)s(k ′)
m′ < h(k ′)(t −mTs − τ (k′))|h(k)(t −m′Ts − τ (k)) >︸ ︷︷ ︸
IMU (ici : contexte mono−trajet asynchrone)
Effet d’éblouissement / Near-far effect⇒ contrôle de puissance requis (IS-95, UMTS)
mais
y (k)m statistique non-exhaustive de s(k)
m car y (k ′)m′ dépend de s(k)
m
⇒ détection multi-utilisateurs (1983)
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Réception multi-utilisateur
Problématique : Détecter les symboles émis à la donnée de y(t),{c(k)
n }n,k et {λ(k), τ (k)}k
Récepteur optimal : détecteur du maximum de vraisemblance
ln(J(s)) =∫ MTs
0
∣∣∣∣∣y(t)−K−1∑k=0
M−1∑m=0
s(k)m λ(k)h(k)(t −mTs − τ (k))
∣∣∣∣∣2
dt
Critère quadratique car bruit gaussien
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Détecteur du Maximum de Vraisemblance (I)
Modèle matriciel :
sMV = arg maxs
J(s) = 2sTDλy− sTDλRDλs
avecs = [s(0)
0 , · · · , s(K−1)0 , · · · , s(0)
M−1, · · · , s(K−1)M−1 ]
y = [y0, · · · ,yM−1] avec ym = [y (0)m , · · · , y (K−1)
m ]
Dλ = IdM ⊗ diag(λ(0), · · ·λ(K−1))
R = Toeplitzc([R(0), · · · ,R(M − 1)])où? R(τ) = [ρk,k′(τ)]0≤k<K ,0≤k′<K
? ρk,k′(m −m′) =< h(k)(t −mTs − τ (k))|h(k′)(t −m′Ts − τ (k′)) >
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Détecteur du Maximum de Vraisemblance (II)
Statistique exhaustive de s(k)m :
y = RDλs + b
donc l’ensemble des sorties échantillonnées des filtres adaptés detous les utilisateurs
Recherche exhaustive :
Complexité = O(card(S)KM)
avec S ensemble des points de la constellationExponentielle au nombre d’utilisateurs KExponentielle au nombre de données MPolynômiale à la taille des constellations
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Maximum de Vraisemblance : algorithme de Viterbi
Modèle de canal mono-trajet et asynchrone de mémoire finie Ts
0 ≤ τ (0) ≤ τ (1) ≤ · · · ≤ τ (K−1) < Ts.
t
s(0)m−1s
(0)m
· · ·
s(k−1)m
s(k−1)m−1
s(k)m−1s
(k)m
s(k+1)m−1s
(k+1)m
s(K−1)m−1s
(K−1)m
· · ·
Ts.
Notion d’états : [· · · , s(k+1)m−1 , · · · , s
(0)m , · · · , s(k−1)
m , s(k)m︸ ︷︷ ︸
signal reçu à l’instant m pour l’utilisateur k
, · · · ]⇒ card(S)(K−1)
Complexité : O(KMcard(S)K )
Exponentielle au nombre d’utilisateurs KLinéaire au nombre de données M
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Décorrélation (Forçage à zéro - ZF)
Méthode linéaire :.
yC
z s
.
Solution « Forçage à zéro » :
CZF = D−1λ R−1
Commentaires :IMU totalement éliminéePas d’effet d’éblouissementAugmentation du niveau de bruit ambiant
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Minimisation de l’Erreur Quadratique Moyenne
Solution :
CMMSE = (RDλ)H (RDλ(RDλ)H + 2N0)−1
Commentaires :Si bruit élevé, alors l’IMU n’est pas traitéeSi bruit faible, alors proche du décorrélateur/ZFEstimation des amplitudes nécessairesInversion d’une matrice de taille KM × KM coûteuse
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Détecteur à retour de décision (DFE)
.
ym zm smCT (z)
CR(z).
Filtre récursif : filtre causalCausalité temporelle : évidenteCausalité multi-utilisateurs :? le premier arrivé? le plus puissant
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Annulateur d’interférence : SIC
Schéma SIC (Successive Interference Canceller) :.
y(0)m
y(K−1)m
y(k)m
puissance
de
y(l)m s
(l)m
−+y(t)
F.A. + Désétalement K − 1
F.A. + Désétalement k
F.A. + Désétalement 0
Analyse
y(1)m
F.A. + Désétalement 1
dure/souple
Etalement l
s(0)m
Canal l.
Temps de latence
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Annulateur d’interférence : PIC
Schéma PIC (Parallel Interference Canceller) :
.
����
������������
y(t)
F.A. + Désétalement K − 1
. . . . . .–
Etape ’i’
Etape ’i+1’
y(0)m
F.A. + Désétalement 1
F.A. + Désétalement 0Utilisateur 0
F.A. + Désétalement 0
Etalement 1
EtalementK − 1
+
y(1)m
y(0)m
y(K−1)m
Canal 1
Canal
K − 1
.
Complexité accrueItération possible
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Performances
N = 7
K = 4
Système synchrone avec codes non-orthogonaux
R =17
7 3 −1 −13 7 −1 3−1 −1 7 −1−1 3 −1 7
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Eblouissement
Utilisateur 1 d’intérêt avec RSB=7dB fixeUtilisateurs interférents 2, 3, 4 avec RSBs variables
−10 −5 0 5 10 1510
−4
10−3
10−2
10−1
TE
B
RSB interférent en dB (RSB utile = 7dB)
Utilisateur seulMVDFEWienerZFRake
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Bibliographie
S. Verdú : Multi-user detection, 1998
J. Proakis : Digital Communications, 2000
S. Haykin : Communication Systems, 2000
T. Cover : Elements of Information Theory, 1991
L. Brunel : Algorithmes de décodage de canal pour l’AMRC,1999
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Section 2.2 : Systèmes multiporteusesà accès multiple
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Plan
Rappel sur les systèmes multi-utilisateurs
Rappel sur les systèmes multi-porteuses
Systèmes hybrides OFDMA, FH-OFDMA MC-CDMA SC-FDMA
? Canal connu à l’émetteur? Canal inconnu à l’émetteur
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Systèmes multi-utilisateursContexte mono-porteuse, canal plat et gaussien (flat fading)
Canal à accès multiple/Multi Access Channel (lien montant)
Y = h1X1 + h2X2 + B
Décodage de X1 et de X2à partir de Y
.
+ +
x
X1
h2
h1
B
Y
X2x
.
Canal à diffusion/Broadcast channel (lien descendant){Y1 = h1X + B1Y2 = h2X + B2
Décodage de X1 (resp. X2)à partir de Y1 (resp. Y2)
.
+
+
x
h2
h1
x
B2
B1
Y1
Y2
X = f(X1, X2)
.
QuestionTrouver les débits maximums possibles
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Théorie de l’information
Notion de région de capacité (MAC [Cover 1974, Tse1998],BC [Shamai 2004])
R1 ≤ log(
1 + |h1|2P1
σ2B
)R2 ≤ log
(1 + |h2|2P2
σ2B
)R1 + R2 ≤ log
(1 + |h1|2P1+|h2|2P2
σ2B
)
.
R1
R2
Pentagone
(P1, P2) fixé
Polymatroïde (P = P1 + P2 fixée)
.
Notion de somme-capacité R = R1 + R2
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Techniques d’accès multipleEn pratique, solutions sous-optimales :
TDMA : séparation dans le tempsFDMA : séparation en fréquenceCDMA : séparation par des codes? Saut temporel (Time Hopping - TH)
.
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����������
����������
����������
����������
����������
���������
���������
����������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������ t
symbole s
Temps-symbole
"Slots" occupés dépendent d’un code propre à chaque utilisateur
.
? Saut fréquentiel (Frequency Hopping - FH).
��������������������������������������������������������������
��������
��������
��������
��������
��������
��������������������������������
��������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
��������
������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
t1 t2
symbole s
f
"Porteuses" occupées dépendent d’un code propre à chaque utilisateur
symbole s
f
.
? Séquence directe (Direct Sequence - DS).
������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������
t
Temps-symbole
1 −1−1 1 1 −1 1 −1−1−1−1 1 −1
Modulation des "Slots" dépendent d’un code propre à chaque utilisateursymbole s
..........................
.
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Systèmes multi-porteuses
Contexte mono-utilisateur
Canal connu de l’émetteur? Augmentation de la capacité en allouant la puissance aux bonnes
porteuses? Approcher la capacité par le biais de modulation et de codage
adaptatifs
Canal inconnu de l’émetteur? Etalement? OFDM avec "entrelacement et codage" : COFDM
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Systèmes hybrides
Contexte multi-utilisateurs et multi-porteuses
Questions :1. Canal connu :
1.1. Quelle technique d’accès multiple : OFDMA1.2. Comment allouer intelligemment les porteuses aux utilisateurs ?
2. Canal inconnu :2.1. Gestion de la diversité par étalement direct : MC-CDMA2.2. Gestion de la diversité par saut fréquentiel : FH-OFDMA
3. Comment faire de l’OFDM "sans" PAPR : SC-FDMA
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Canal connu
Canal plat et gaussien
CFDMA = α log(
1 +|h1|2P1
ασ2B
)+ (1− α) log
(1 +
|h2|2P2
(1− α)σ2B
)avec α ∈ [0,1]
.
��������
����
��������
FDMA
R2
R1
Somme-capacité maximale
.
CFDMA atteint la somme-capacité ssi α = |h1|2P1|h1|2P1+|h2|2P2
Optimalité du FDMA pour la somme-capacité à P1 et P2 fixées[Cover 1974, Cioffi 2002]
Un utilisateur par porteuse⇒ OFDMA
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Allocation pour OFDMA
Extension au cas d’un canal sélectif en fréquence et gaussien
Si séparation orthogonale des utilisateurs (sur chaque porteuse via,par exemple, du CDMA), alors
maxK∑
k=1
Rk
conduit à ne pas partager les porteuses ([Cioffi 2002,Goldsmith 2002, Cipriano 2005] selon les contraintes)
Par porteuse, système mono-utilisateur avec allocationdynamique classiqueProblème d’équité
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Allocation "équitable" pour OFDMASoient Hk (n) et Pk (n) la réponse fréquentielle du filtre et la puissancede l’utilisateur k pour la porteuse n
maxallocation OFDMA
K∑k=1
ωk Rk maxallocation OFDMA
mink
Rk
Utilisateur k a la porteuse n siωk log(1 + |Hk (n)|2Pk (n)/σ2
B) max. Utilisateurs ont le même débitau détriment du débit cumulé
.
���� ���� ������������������ ����������������
����
������ ������������ ���������������� ����������
Canal 2Canal 1
Max min
Somme-capacité
0
.
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Canal inconnu
Allocation impossible
Eviter brouilleurs et/ou mauvais canaux : technique de diversité
? Etalement nécessaire
? Technique d’accès multiple : le CDMA
? Lien entre le CDMA et les différents porteuses : MultiCarrier-CDMA
- Etalement fréquentiel : MC-CDMA (strict) [Fazel 1993]- Etalement temporel : MC-DS-CDMA [Kondo 1993]
? Possibilité de mettre en œuvre le FH-OFDMA
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Emetteur MC-CDMA
.
Modem
OFDM
Porteuse 1
xa(t)
Etalement
Chip 1
Chip N Porteuse N
s(k)
s(k)c(k)1
s(k)c(k)N .
Espacement porteuse 1/Ts et Bande occupée : N/Ts
Tire parti de la diversité fréquentielle
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Emetteur MC-DS-CDMA
.
Etalement
Etalement
Modem
OFDM
Porteuse 1
xa(t)
Porteuse N
Symbole 1
Symbole N Chip
Chip
s(k)1
{s(k)1 , · · · , s(k)N }
{s(k)1 c(k)1 , · · · , s(k)1 c
(k)Ns}
{s(k)N c(k)1 · · · , s(k)N c
(k)Ns}s
(k)N .
Système DS-CDMA par porteuse avec facteur d’étalement de Ns
Espacement porteuse Ns/NTs et Bande occupée Ns/Ts
Tire parti de la diversité temporelle
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Problème du PAPRSoit {x(n)} un signal numérique, on définit le facteur de crête par
F =maxn |x(n)|2E[|x(n)|2]
PAPR : Peak to Average Power RatioSi F grand, on sort de la plage linéaire des amplificateurs
Signal OFDM⇒ x(m) =1√N
N−1∑n=0
sne2iπmn/N
⇒ F = N (en mono-porteuse : F = 1)⇒ x(m) tend vers un signal gaussien (si N →∞)
Rq : Seules quelques séquences de s produisent un fort F
Prob(F > F0) = 1− (1− e−F0)N , E[F ] = N
(N−1∑n=0
CnN−1
(−1)n
(n + 1)2
)
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Evaluation du PAPRDéfaut de saturation de l’amplificateur : input back-off (IBO)
IBO = 10 log10 (Pmax/Px)
Pmax la puissance maximale admise par l’amplificateurPx la puissance moyenne du signal entrant dans l’amplificateur
6 7 8 9 10 11 1210
−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
Eb/N0
BE
R
Loss in performance for QPSK−OFDM (N=256) [Deumal 2007]
perfect amplifier
IBO=6dB
IB0=4dB
IBO=2dB
Solutions"Clipping" : modification intelligente de quelques porteusesChoix pertinent du codage correcteur d’erreurApproche alternative : SC-FDMA
Philippe Ciblat Gestion de l’interférence entre utilisateurs 45 / 1
Le mono-porteuse avec préfixe cyclique !
OFDM.
Canal hAdd CPFFT−1 FFT
Convolution
Toeplitz matrix
RXTX
s y
Circular convolution / Circulant matrix
Remove CP∝ sFreq EQ.
(typ. ZF)
x z
.
SC : single-carrier (with cyclic prefix).
RXTX
Add CP Canal h Remove CP FFTy
FFT−1Freq EQ.
(typ. ZF)
Convolution
Toeplitz matrix
Circular convolution / Circulant matrix
s = x z = s
.
Y = CXY = F−1DFXZ = FY = DFXZ = DFF−1S = DS
D−1Z = S
Y = CXY = F−1DFXZ = F−1D−1FYZ = X = S
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Amélioration du PAPR
Pas de FFT à l’émission donc PAPR plus faible en SC qu’en OFDM
0 5 10 150
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
PAPR
Pourc
enta
ge d
e P
AP
Rs tro
uvés p
ar
recta
ngle
(pour
10000 tests
)Histogramme de PAPR en OFDM avec N=256 et en SC avec 16QAM
OFDM
SC
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SC avec accès multiple FDMA
.
Canal h
Remove CP
Add CP
N -FFTFreq EQ.M -FFT−1
M -FFT Mapper
TX
RX
N -FFT−1
N ≫ M
.
Moins de PAPR (amplificateur de l’émetteur simple)Récepteur plus complexe (BTS plutôt que terminal mobile)Gestion inhérente de la diversité fréquentielle
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Bibliographie
S. Hara et R. Prasad, « Design and performance of multicarrierCDMA systems in frequency-selective Rayleigh fadingchannels », IEEE Trans. on Vehicular Technology, Sep. 1999.S. Kaiser, « OFDM code division multiplexing in fadingchannels », IEEE Trans. on Communications, Août 2002.R. Prasad et S. Hara, « An overview of multicarrier CDMA »,IEEE Int. Symp. Spread Spectrum Techniques and Applications,1996.S. Kaiser, K. Fazel, « Multicarrier and Spread spectrumsystems », Wiley, 2003.M. Ergen, "Mobile Broadband", Springer, 2009.H. Homa et A. Toskala, "LTE for UMTS, OFDMA and SC-FDMAbased radio access", Wiley, 2009.
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