Pôle de recherche avancée en communications Architectures multiprocesseurs monopuces génériques...

Objectifs◗ Devenir un centre de recherche de référence en communications

◗ Développer un partenariat industriel fort

◗ Attirer les meilleurs chercheurs dans nos domaines

◗ Financer la recherche amont et dégager de nouveaux axes de recherche

◗ Créer un réseau de partenaires pour les projets collaboratifs (RNRT, ANR, FP,…)

Atouts◗ Des équipes compétentes et reconnues aux niveaux national et international

◗ Une première expérience réussie avec les turbo codes (invention, dissémination : symposium

97/00/03, valorisation : Programme de licences turbo codes, start-up TurboConcept)

◗ Un environnement favorable pour atteindre nos objectifs

◗ De nombreuses collaborations industrielles depuis plusieurs années

◗ Bonne expérience sur le développement de plateformes de validation et d’expérimentation

Bénéfices◗ Acteur privilégié dans l’orientation des axes de recherche de Pracom.

◗ Accès aux résultats de recherche financés sur fonds Pracom

(cotisations, valorisations, subventions,…)

◗ Expertise de visiteurs scientifiques de renommée internationale dans nos domaines

◗ Interlocuteur unique pour l’ensemble des prestations de l’école (stages, jeunes ingénieurs,

projets d’ingénieurs, contrats, formations,…)

◗ Séminaire et rapport annuel de Pracom

Pôle de Recherche Avancée en CommunicationsAdvanced Research Centre for Communications

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Implantation d’un turbo décodeur de codeproduit à 2,4 Gbit/sEn télécommunications, les codes correcteurs d’erreurs regroupent un ensemble de techniquesqui permettent d’améliorer la qualité de transmission de l’information numérique. Le principeconsiste à ajouter de la redondance à un message d’information afin de rendre celui-ci plusrobuste à d’éventuelles perturbations lors de sa transmission.Les turbocodes en blocs sont une famille de codes correcteurs d’erreurs parmi les plus perfor-mants. Ils ont été choisis dans les spécifications de la norme « Wireless Metropolitan AreaNetworks » (norme IEEE 802.16) afin d’améliorer la qualité de la transmission. Certaines appli-cations telles que les transmissions optiques ou le stockage de données nécessitent des débitsde décodage très élevé (au delà de 10Gbits/s). Les premiers codes correcteurs d’erreurs utili-sés dans les transmissions optiques sont les codes Reed-Solomon qui permettent d’atteindreun gain de codage de 6dB. Dans un contexte très haut débit, les turbocodes en blocs sont par-ticulièrement adaptés et permettent d’atteindre des gains de codages de 10dB. Cependant lesturbo-décodeurs fonctionnant à de tels débits (>10Gbits/s) nécessitent des architectures mas-sivement parallèles utilisant si possible des décodeurs élémentaires à complexité raisonnable.Un brevet (2003) proposant une architecture de turbo décodeur de codes en blocs à faible com-plexité fonctionnant à très haut débit a été déposé à l’ENST Bretagne. Cette solution s’estconcrétisée par une thèse qui doit permettre de valider et développer de nouvelles architectu-res de turbo décodeurs pour le très haut débit.Un premier prototype de turbo décodeur de codes en blocs fonctionnant à 2.4 Gbits/s a étéproposé. Sa structure est basée sur l’architecture proposée dans le brevet et permet ainsi dansun premier temps de valider celui-ci. Le décodeur est implanté au sein d’une chaîne de com-munication numérique fonctionnant à 2.4Gbits/s. Ce prototype est une première étape dansl’élaboration de décodeur plus performant et encore plus rapide.

Turbo décodage analogiqueDepuis la fin des années 90, des équipes de recherches européennes ont débuté des travauxsur le décodage de canal analogique ou plus précisément sur l’implantation analogique desalgorithmes de décodage pondéré. Par comparaison avec des structures numériques équiva-lentes, des gains significatifs en terme de rapidité de puissance consommée et de surface deSilicium occupée ont ainsi pu être obtenus laissant entrevoir un fort potentiel pour ce nouveautype de décodeur. Parmi les algorithmes principalement utilisés pour le décodage canal, l’algo-rithme APP se révèle être particulièrement adapté à une implantation analogique. En effet cedernier fait uniquement appel à des opérations de type somme-produit ainsi qu’aux fonctionslogarithmes et exponentielles. Ces dernières peuvent facilement être mises en œuvre à partirdes caractéristiques électriques des transistors bipolaires en régime normal ou bien des tran-sistors MOS utilisés sous le seuil. Une des équipes de recherche de l’ENST Bretagne a ainsi puintégrer un décodeur APP en technologie BiCMOS 0.25µm. Ce prototype utilisant le code duDVB-RCS décode des trames de 24 symboles double-binaires à un débit mesuré de 120Mbit/s.Il est amené à être inséré dans une structure de turbo-décodeur analogique.

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Architecturesmultiprocesseurs monopuces génériquespour turbo-communications haut débitvers un compromis matériel/logiciel

Les applications dans le domaine des communications numériques deviennent de plus en pluscomplexes et diversifiées. En témoigne l’apparition des turbo-communications qui représententla généralisation du principe de processus itératif introduit par les turbocodes. La mise enœuvre de systèmes de turbo-communications, communément appelés turbo-récepteurs, estdevenue primordiale pour atteindre les performances aujourd’hui exigées en terme de qualitéde transmission. Des architectures matérielles dédiées (i.e. ASIC) implémentant ces systèmesont déjà vu le jour dans plusieurs équipes de recherches académiques et industrielles.Cependant, pour des exigences de : (1) très faible taux d'erreurs, (2) haut débit de communica-tion et (3) flexibilité de l'implémentation1, des architectures multiprocesseurs adéquatesdeviennent incontournables.

L’objectif de cette thèse est de proposer une plateforme architecturale multiprocesseur généri-que adaptée aux turbo-récepteurs. Le modèle proposé doit être modulaire pour maîtriser lacomplexité, flexible pour s’adapter au contexte d’utilisation et extensible pour couvrir un largedomaine d'application.

Grâce à une étude approfondie des algorithmes, qui exhibe à la fois leurs parallélismes inter-nes et leurs complexités, les compromis matériel/logiciel (i .e. performance/flexibilité) sont ana-lysés soigneusement tant au niveau du calcul qu’au niveau des communications. Au niveau ducalcul, la thématique de la conception d’ASIP (Application-Specific Instruction-set Processor)est explorée pour proposer de nouvelles architectures ASIP dédiées aux applications de turbo-communications. Au niveau des communications, des réseaux sur puce dédiés à ce domainesont étudiés, proposés et mis en œuvre.

La conception et la validation du modèle proposé repose sur une méthodologie de conceptionau niveau système avec un flot de validation aux différents niveaux d’abstraction et un flot deprototypage sur FPGA.

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1 En cas d'éventuelle évolution de la norme ou pour une reconfiguration dynamique en casd’application multi-standards.

Contribution à l’étude des plates-formesradio-numériques :cosimulation dans le contexte Mimo Wlan

Mots clésCosimulation, antennes, couplage, MIMO, canal de propagation, OFDM, distorsions RF

RésuméLes environnements logiciels EDA font apparaître des potentialités nouvelles permettant lessimulations mixtes signal et analogique RF de la couche physique des plates-formes de com-munication radio-numériques. A partir d’exemples issus de réseaux locaux WLAN à antennesmultiples MIMO et à modulation multi-porteuses OFDM, nous étudions leur mise en œuvre pouranalyser précisément les distorsions créées par des dispositifs radiofréquences, en prenant encompte les effets de propagation des ondes au niveau circuit ou électromagnétique. Toutd’abord, nous appliquons notre démarche au filtre image RF dans un système par ailleurs idéa-lisé. Différents niveaux de modélisation et différentes solutions d’implémentation sont envisa-gés. Les diagrammes de constellation et les valeurs d’EVM obtenus sont comparés en regarddes réponses fréquentielles, mettant en évidence certaines limitations liées à l’échantillonnagetemporel de l’enveloppe complexe des signaux simulés et à la convergence des méthodesd’analyse. A l’aide de dipôles et de patchs couplés, la relation entre les antennes et le canal depropagation est ensuite abordée. Elle conduit au développement de deux méthodes complé-mentaires permettant l’établissement des modèles précis d’antennes couplées, ces derniersétant utilisés isolés ou en combinaison avec un modèle de propagation issu d’un simulateur àrayons pour étudier la relation entre le couplage et la corrélation. Nous proposons alors un cir-cuit original pour la compensation du couplage indépendamment des distances inter-antennes,efficace même pour des couplages forts, et offrant des perspectives à l’implémentation desources de rayonnement intégrées et indépendantes.

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Gestion de profils de qualité de servicepour le support d’interfaces multiplesLes technologies sans fil se démocratisent à grands pas. Il n’est pas rare aujourd’hui de pou-voir accéder simultanément à plusieurs réseaux d’accès de technologies différentes depuis unterminal. Les terminaux devront être capables de sélectionner à chaque instant la meilleuresolution pour accéder au réseau d’un opérateur mais aussi pour sélectionner le meilleur opéra-teur lorsqu’il y a le choix. Cette décision dépend de différents informations comme les perfor-mances des réseaux d’accès, les demandes de qualité de service de la part des applications,les préférences des utilisateurs et/ou celles des opérateurs. Par conséquent, ce travail derecherche a consisté à définir une nouvelle architecture pour les terminaux mobiles intégrantplusieurs interfaces réseaux dans le contexte IPv6. Plus spécifiquement, nous avons conçu unearchitecture et un mécanisme de gestion des profils qui permet la configuration et la sélectionautomatique de la meilleure interface à chaque instant. En outre, l’algorithme de sélection sup-porte la distribution dynamique des flux applicatifs sur plusieurs interfaces réseaux en utilisantdes algorithmes de décision à objectifs multiples.L’architecture proposée s’appuie sur des couches bas niveaux qui offrent une assistance indis-pensable aux couches supérieures. Elles détectent la présence des réseaux d’accès et leursperformances en terme de qualité de service. Elles assurent la configuration des interfaces etla distribution dynamique des flux applicatifs sur les interfaces indiquées par l’algorithme desélection. Le travail s’est concentré sur la partie intergiciel (middleware). Celui-ci contient troismodules : le gestionnaire de profils, l’algorithme de sélection et la base de profils. Il interagitavec les utilisateurs pour collecter leurs préférences et avec les applications pour obtenir leursdemandes de QoS. Le travail s’est déroulé dans le cadre d’un contrat industriel et du projetRNRT Cyberté. L’architecture proposée a été évaluée par des simulations et mise en œuvredans une plateforme expérimentale.

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◗ Exemple de mobilité impliquant plusieurs réseaux d’accès

◗ Architecture logicielleproposée

Algorithmes de précodage et d'annulationde la diaphonie dans les systèmes MIMOde transmission haut-débit sur supportcuivreLa technologie DSL (Digital Subscriber Lines) permet d'offrir des débits de plus en plus élevéssur la paire téléphonique pour accompagner la multiplication des applications et des servicesgourmands en débit (TVHD, visioconférences, Internet…) destinés à l'usage des particuliers.Après la famille ADSL/ADSL2+ (asymetric DSL), largement déployée et qui permet d'atteindredes débits de l'ordre de 20Mbps sur la paire téléphonique, la famille VDSL/VDSL2 a été conçuepour offrir des débits atteignant 100Mbps en mode symétrique aux particuliers. Ce débit resteen deçà de la capacité du canal de cuivre. La contrainte majeure limitant les performances pourles portées courtes est constituée par la télédiaphonie entre les lignes de cuivre du même câbletéléphonique. La télédiaphonie décrit les signaux couplés provenant de l'extrémité opposéeaffectant le récepteur.

La transmission sur chaque ligne de cuivre reliant le central téléphonique à un utilisateur esteffectuée de manière indépendante de la transmission sur les lignes voisines. Le signal résul-tant du couplage télédiaphonique constitue un bruit stationnaire qui limite les performances dessystèmes DSL.

Une extrémité de la transmission est co-localisée au niveau du central téléphonique ou demanière équivalente de l'ONU/unité optique (Optical Network Unit). Aussi, un traitement coor-donné de la transmission peut-il être mis en œuvre au niveau de l'ONU. Le but recherché estde réduire la télédiaphonie qui limite les performances des systèmes DSL. Plusieurs niveaux decoordination peuvent être envisagés. La coordination au niveau spectre en est un exemple. Ellepermet d'améliorer considérablement les performances des systèmes DSL. L'objectif de cesujet de thèse est d'étudier un degré de coordination supérieur qui agit au niveau du traitementdu signal.

La recherche dans le domaine de transmission sur support cuivre au sein du laboratoireRESA/RMC s'oriente actuellement vers le concept de transmissions vectorielles coordonnéesau niveau signal après avoir examiné les algorithmes de transmissions coordonnées au niveauspectre. Les transmissions coordonnées au niveau signal présentent des performances plusproches de la capacité de la paire téléphonique. En effet, la transmission vectorielle coordon-née au niveau signal permet de réduire de manière significative le bruit de télédiaphonie. Dansle sens descendant (du central téléphonique/ONU vers le modem utilisateur), la coordinationdes signaux est utilisée entre les émetteurs co-localisés au niveau du centraltéléphonique/ONU. Le sens descendant doit mettre en œuvre un précodage des différentssignaux émis pour effectuer une précompensation du bruit télédiaphonique. Le sens remontantdu canal DSL où plusieurs modems clients communiquent avec un ensemble de récepteurscoordonnés et co-localisés au central téléphonique/ONU permet un traitement conjoint quiannule la diaphonie.

Le but de cette thèse est d'étudier et de mettre en œuvre dans un premier temps des algorith-mes de précodage et d'annulation de la diaphonie et de rechercher des compromis com-plexité/performances. Les étapes suivantes consisteront à rechercher des algorithmes pour lessystèmes partiellement coordonnés.

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Le projet IROISEIROISE est un projet de recherche (labellisé RNRT en 2004, et conclu en octobre 2006) qui apermis de définir et de valider la continuité, sans couture, de réseaux nationaux ou régionauxpar un accès sans fil de type fixe.

Le couplage d'un WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) dans la bande des 42 GHz aveccelui d'un WLAN (Wireless Local Area Network) dans celle des 5 GHz a été effectué sur la basede technologies développées par THALES et THOMSON. Dit autrement, c'est le couplage duWiMAX et du Wi-Fi, avec notamment des équipements capables de faire la transposition entreles deux, et donc d'assurer un double-bond sans-fil haut-débit, en partant d'une antenne reliéeà une dorsale filaire, jusqu'à une hot-zone Wi-Fi. Les expérimentations, menées à diversendroits du port de commerce de Brest, ont porté notamment sur des usages liés à la gestiondes grands événements ( Brest 2008, coordination d'équipes de sécurité sur un site ayant subiune catastrophe...)

Un tel couplage présente de nombreux avantages :◗ Les technologies radio proposées permettent de supporter des services multimédia à

haut débit incluant la vidéo numérique en qualité TV ;◗ Le couplage envisagé permet d’offrir une solution d’accès bien adaptée à la desserte

des zones de moyenne et faible densité démographique, en raison de l’utilisation d’unetechnologie radio moins coûteuse que les technologies filaires couramment envisa-gées.

◗ Le couplage permet de supporter une architecture réseau souple et évolutive, alliantrapidité de déploiement et adaptabilité en termes de débits et de couverture.

La couverture à 100% d’une zone est obtenue en localisant les coupleurs d’accès en fonctionde la topographie de la plaque radio et en tenant compte des contraintes d’interférences entrefréquences utilisées par des coupleurs d’accès voisins. Grâce aux moyens logiciels et auxbases de données haute-résolution correspondant à la zone, toutes les cartes de couverturesradioélectriques nécessaires ont été réalisées. Elles permettent la sélection des meilleurs scé-narios de déploiement des stations d'émission mises en oeuvre dans le projet IROISE. Un dis-positif de mesure original spécifique a été développé ; il s’agit d’un émetteur radio fixe, auto-nome, flexible, et d’un récepteur adapté permettant le test de différentes antennes interchan-geables. Ce dispositif a été embarqué sur un véhicule parcourant la zone.

Les partenaires du projet IROISE sont THOMSON R&D, THALES, GRASS VALLEY (ex-NEX-TREAM), SIRADEL, l’ENST Bretagne, Télécom Paris, l’Université Paris VI, le Technopôle BrestIroise et BLUECOM.

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* TRIDENT : Transmission d’images et de données en temps réel

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L’ingénierie du trafic sur une telle plaque radio a été analysée et plusieurs outils ont été propo-sés pour garantir simplement une bonne Qualité de Service aux services de type VoIP ou diffu-sion video. On peut en particulier mettre en évidence l’intérêt de politiques d’acceptation d’ap-pel (CAC) qui permettent de garantir des ressources à certains flux tout en acceptant l’utilisa-tion sans garantie de la bande passante non réservée. C’est l’utilisation de la technologieWiMax qui permet la mise en oeuvre de telles fonctions.

◗ Sous-sytème d'émission ◗ Sous-sytème de reception mobile

Enfin, une étude de marché sur la zone du Port de Commerce a permis d’appréhender lesbesoins des usagers finaux et de positionner l’offre d’une telle plaque par rapport aux différen-tes alternatives.

◗ la fonction "CAC" réserve des ressources pour les flux acceptés

PALMYREVers la fin des années 90, les travaux menés dans le cadre du Réseau régional de recherche entechnologie de l’information et de la communication (R3TIC Bretagne) sous la thématique«Signal et radiocommunications» ont mis en évidence l’intérêt pour les laboratoires de recher-che publique et les industriels de disposer d’une plate-forme commune de développement etd’évaluation de systèmes radioélectriques. Sur l’initiative du R3TIC, un projet cadre concernantla mise en place d’une telle plate-forme a donc été élaboré, selon le principe schématisé ci-des-sous :

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Expérimentation

DéveloppementsPré-compétitifs

Marchés

Laboratoires « Académiques »

Industriels

PME - PMI

Banques de

Données

Recherche ProspectivePublications

Brevets

Prototypes Démonstrateurs

◗ Concept de base : Plate-forme commune de collaboration et de mutualisation

Le développement de la plate-forme PALMYRE (https://palmyre.univ-ubs.fr/) contribue auxrecherches visant à assurer au plus grand nombre d'utilisateurs des débits d'information, lesplus importants possibles. L’optimisation des ressources spectrales est obtenue en utilisant destechniques de pointe de type MIMO (à antennes d’émission et de réception multiples). Cetteplate-forme s’est révélée être un élément structurant pour l’enseignement, la recherche et lavalorisation des résultats de cette recherche. Dans le domaine de l’enseignement, PALMYRE acontribué à la formation d’étudiants (en particulier, ceux du mastère recherche MARS, communaux différents partenaires de PALMYRE) et d’ingénieurs par des expérimentations à caractèrepédagogique (bureaux d'études, projets, stages, …). Dans le domaine de la recherche, PAL-MYRE a permis la structuration en Bretagne d’une communauté scientifique de tout premierplan maîtrisant, de bout en bout, la chaîne de transmission sans fil. La production scientifiqueliée à PALMYRE est de 27 thèses qui seront soutenues avant fin 2006, 2 brevets (dont 1 licen-cié), 34 publications en revues internationales et 35 publications en conférences internationales.Enfin, du point de vue de la valorisation, l’expertise acquise dans PALMYRE sur les algorithmeset les matériels développés a permis d’initier de nombreux contrats industriels et projets derecherche avec des partenaires industriels. Nous pouvons citer, en particulier, les sociétésTHOMSON, FRANCE TELECOM, ELEKTROBIT, CNES, TURBO-CONCEPT, COMSIS, SUN-DANCE, SACET, WOLT, RUBISOFT, SIRADEL.

Le son ultra-haute fidélité : La SphèreLa Sphère est la première enceinte quadri co-axiale au monde permettant de restituer la tota-lité de la bande audible [20Hz, 20kHz] avec des performances jamais atteintes jusque là. Cesystème est le résultat de trois ans de collaboration entre le département Signal etCommunications de l’ENST Bretagne et la société Cabasse, leader français du marché desenceintes acoustiques. Forte de son expérience dans le domaine de l’acoustique, Cabasse à développé depuis 1992,un nouveau concept d’enceintes co-axiales (les haut-parleurs sont alignés sur un axe uniquehorizontal et non pas positionnés les uns en dessous des autres). Cette technologie, présenteune solution radicale aux problèmes de directivités rencontrées dans les enceintes convention-nelles (les haut-parleurs sont disposés sur une même façade les uns en dessous des autres),ainsi qu’une cohérence entre les sons directs et réfléchis. La Sphère constitue une maîtrise sansprécédent de la technologie co-axiale avec ses quatre haut-parleurs des sons aigus, médiums,bas médiums et graves positionné sur un axe unique pour une image sonore plus profonde etplus préciseLe département signal et communications, reconnu pour ses compétences en traitementtemps-réel du signal, à développé sur un processeur de signal numérique (ADSP-21369 deAnalog Devices) les modules de correction numériques qui permettent de compenser lesdéfauts résiduels du nouveau haut-parleur 4 voies et d’optimiser sa réponse acoustique Le fil-trage numérique inclus principalement, les trois tâches suivantes :

1- Mise en phase des voies : Implémenter les retards nécessaires à la compensation desdécalages axiaux des différentes membranes.

2 - Séparation des voies : Conditionner le signal envoyé à chaque haut-parleur par un filtreadéquat synthétisé sous différentes contraintes, notamment la directivité de l’enceinte auniveau des bandes des fréquences de recouvrement entre voies.

3 -Egalisation de la réponse acoustique : Corriger les irrégularités résiduelles au niveau de laréponse fréquentielle du système.


◗ Figure 1 : Synoptique du module de traitement numérique

Le premier prototype de la sphère a déjà été présenté au salon CES (Consumer Electronic Show)du 6 au 9 Janvier 2006 à Las Vegas. Une version améliorée du système vient d’être présentéeau public au salon High-End Show du 25 au 28 mai à Munich. Deux brevets (le premier concernela technologie du transducteur à 4 voies co-axiales et le second relatif au procédé de filtrage)ont déjà été déposés. Différentes publications, notamment au sein de l’AES (Audio EngineeringSociety) ont déjà été présentés. Les écoutes réalisés ont interpellé non seulement les profes-sionnels du domaine, mais aussi le grand publique qui a eu l’opportunité de découvrir ce bijoux.Des commandes confirmées du système sont déjà enregistrées. La mise sur le marché est pré-vue pour l’automne 2006.

◗ Figure 2 : Version 1.0 de la Sphèreen configuration 2.0 (CES 2006 LasVegas)

◗ Figure 3 : La Sphère en chambre sourde

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