Projet de tlcommunicationsWireless Communications Group Service OPERA

Contents1 Les rseaux locaux sans l 2 Challenges techniques 3 Etapes de dveloppement dun systme IEEE802.11n 4 Modalits pratiques 5 Etape 1: Ralisation dun logiciel de ray-tracing 5.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Le ray-tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Hypothses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Couverture de la station de base . . . . . . 5.5 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 5 6 7 7 7 8 8 9 9 9 9 10 10 10 11 11 11 11 12 13 14 14 14 14 14 15

6 Etape 2: Transmissions numriques sur canal idal 6.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 La chane de communication optimale . . . . . 6.3 Formation des symboles complexes . . . . . . 6.4 Les ltres demi-Nyquist . . . . . . . . . . . . . 6.5 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Etape 3: Codage de canal 7.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 La chane de codage de canal . . . . . . . . . 7.3 Code convolutionnel et algorithme de Viterbi 7.4 Puncturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Interleaver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Etape 4: Modlisation du canal multi-antennes 8.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Canal simple antenne non dispersif . . . . . 8.3 Canal simple antenne dispersif . . . . . . . 8.4 Canal multi-antennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9 Etape 5: Impact du canal multi-trajets sur les communications 9.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Etape 6: Transmissions numriques sur canal multi-trajets 10.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 La chane de communication OFDM . . . . . . . . . . . 10.3 Modulation OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Estimation de canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Etape 7: Systmes multi-antennes 11.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . 11.2 Multiplexage spatial . . . . . 11.3 Codage spatio-temporel . . . 11.4 Combinaison MIMO-OFDM . 11.5 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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12 Etape 8: Synchronisation 12.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 La chane de synchronisation . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Structure de paquet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Acquisition de linstant darrive du paquet . . . . . . 12.5 Acquisition du dcalage de frquence porteuse . . . . 12.6 Tracking du dcalage de frquence porteuse rsiduel 12.7 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Etape 9: Implmentation 13.1 Objectifs . . . . . . . . . . . 13.2 La transmission des signaux 13.3 La rception des signaux . . 13.4 Montage de base . . . . . . 13.5 Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14 Simulation dun systme de communications sans-l 15 Conseils de styles 16 Quelques fonctions Matlab utiles 17 Commande du SMATE 18 Commande du FSG

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Les rseaux locaux sans l

Les rseaux locaux sans l sont actuellement largement utiliss pour offrir un accs Internet lintrieur des btiments. Ils permettent de rduire signicativement le cot de linfrastructure de communication en comparaison avec les rseaux cbls classiques. Ils supportent de trs larges dbits dinformation grce aux techniques avances de communications mises en oeuvre. Des comits de standardisation, principalement composs dindustriels, sont chargs de spcier les normes de communication de manire assurer la compatibilit entre les diffrents produits commerciaux. Les principaux groupes de standardisation sont amricains, sous lgide de lassociation IEEE1 (mme si des initiatives ont aussi vu le jour au niveau europen). Historiquement, les standards suivants sont progressivement apparus: La norme IEEE 802.11a supporte 54 Mbps 5 GHz, La norme IEEE 802.11b supporte 10 Mbps 2, 45 GHz, La norme IEEE 802.11g est une combinaison des normes IEEE 802.11a et .11b, La norme IEEE 802.11n prvoit une extension des dbits supports par la norme IEEE 802.11g 100 Mbps. Ces normes sont communment regroupes sous lappellation commerciale WiFi. Les normes sont continuellement revues pour rpondre aux besoins du march en terme de capacit de communications. Il apparat aujourdhui que le standard le plus rapide, le IEEE 802.11n, est insufsant pour les nouvelles applications multimdias, comme le home entertainment. Le home entertainment regroupe lensemble des applications multimdias domicile, comme internet, la TV numrique ou les jeux vido. Dans les prochaines annes, toutes les transmissions relatives ces applications se feront sans l: transmissions du modem vers un ou plusieurs PC, du dcodeur TV haute dnition vers le(s) cran(s), de la console de jeux vers le(s) cran(s)... A titre dexemple la transmission sans l dun lm Blu-ray exige un dbit de 50 Mbps, tandis que 150 Mbps sont ncessaires pour un jeu vido. Clairement, le standard IEEE 802.11n ne rpond pas ces besoins. LIEEE a donc rcemment dcid de mettre sur pied un groupe de travail destin crer un nouveau standard appel IEEE 802.11vht (Very High Throughput) capable dassurer des transmissions entre 500 Mbps et 1 Gbps. Les objectifs gnraux de ce projet sont: de concevoir un modem de communications pour les rseaux locaux sans l sur base des techniques les plus performantes actuellement, c.--d. compatible avec les modems 802.11n trouvs sur le march. dvaluer ses performances laide du logiciel Matlab. dimplmenter la solution retenue sur une plate-forme hardware.Institute of Electrical and Electronics Engineers, la plus importante association professionnelle mondiale, www.ieee.org1

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de proposer et analyser les amliorations technologiques encore ncessaires pour atteindre les dbits annoncs pour le futur standard 802.11vht Pour atteindre ces objectifs, nous vous proposons de raliser au cours de votre anne de BA3 et de vos annes de Master tout le processus de dveloppement et dimplmentation dun standard de communication comme on le rencontre en industrie.

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Challenges techniques

La difcult technique majeure des communications sans l provient de lexistence des multitrajets: le signal arrivant au rcepteur nest jamais compos dune seule onde, mais de la superposition dune multitude dondes provenant des interactions avec lenvironnement (rexions, diffractions, transmissions par les obstacles). La Figure 1 montre un exemple de propagation multi-trajets dans le cas dune station de base WiFi communiquant avec des utilisateurs. On peut y voir gauche le plan de ltage et lemplacement de la station de base (en vert) et des diffrents rcepteurs (en rouge), et droite lensemble des chemins, ou rayons, suivis par le signal vers un utilisateur donn (le dgrad de couleurs indique la puissance reue dans une zone rectangulaire autour de ce rcepteur).

Figure 1: Exemple de propagation multi-trajets en milieu indoor (simulation par logiciel de ray-tracing). Techniquement, il est ncessaire de grer la dispersion temporelle cre par ces multi-trajets: comme les diffrents rayons parcourent des distances diffrentes, le rcepteur reoit successivement plusieurs copies du mme signal. Autrement dit, la rponse impulsionnelle du canal est tale dans le temps. Aux grands dbits binaires envisags, la rponse impulsionnelle du canal est plus longue que la dure symbole, gnrant de ce fait de linterfrence entre symboles successifs et une srieuse dgradation des performances du systme. La technique appele "Orthogonal Frequency-Division Multiplexing" (OFDM) a t slectionne pour les systmes 802.11n et 802.11vht parce quelle permet de compenser la dispersion temporelle des canaux pour une complexit de calcul raisonnable.

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Lorsque les obstacles dans lenvironnement bougent (mouvement des personnes par exemple), certains rayons peuvent apparatre ou disparatre. La puissance reue varie alors fortement au cours du temps. On parle des vanouissements du signal (fading). Pour grer ces uctuations, la solution retenue dans les standards 802.11n et 802.11vht (comme dans tous les nouveaux standards de communications sans l) est lutilisation dmetteurs et rcepteurs multi-antennes. On obtient alors des systmes appels Multiple-Input Multiple-Output, ou MIMO. La gure ci-contre montre une station de base 802.11n comportant trois antennes. Enn, la place rserve dans le spectre lectromagntique pour les nouveaux standards de communication est trs troite. Dans les standards 802.11n et 802.11vht, un ensemble de plusieurs canaux, attribus aux diffrentes stations de base, sont dnis dans des bandes de frquences adjacentes espaces respectivement de 20 MHz et de 80 MHz. Atteindre des dbits de plusieurs centaines de Mb/s dans des bandes aussi troites est un rel challenge. Comme nous le verrons au cours de ce projet, les systmes MIMO permettent galement datteindre cet objectif grce au multiplexage spatial des signaux.

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Etapes de dveloppement dun systme IEEE802.11n

Il est indispensable de valider par simulation un systme de communication avant den faire un prototype hardware. Ce projet comporte donc dabord une partie de dveloppement sur Matlab avant limplmentation proprement dite sur une plate-forme hardware. Votre dveloppement dun systme 802.11n sera divis en neufs tapes: 1. Vous raliserez un logiciel de ray-tracing permettant de simuler la propagation multitrajets lintrieur dun btiment (voir Figure 1). 2. Vous construirez la chane de communications numriques optimale dans le cas dun canal idal (sans multi-trajets). 3. En vue de robustier la communication, vous ajouterez un codeur de canal la chane de communications. 4. Sur base de votre logiciel de ray-tracing vous construirez un modle complet de canal multi-antennes ddicac aux systmes 802.11n. 5. Vous tudierez limpact de ce modle de canal sur la chane de communications construite aux tapes 2 et 3. 6. Vous dploierez de nouvelles techniques de communications permettant de compenser les effets de dispersion temporelle du canal. 7. Vous tendrez votre systme aux rseaux dantennes multiples et valuerez le gain en performance obtenu grce cette technologie. 8. Vous aborderez les problmes de synchronisation de votre rcepteur.

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9. Vous implmenterez vos algorithmes sur une plate-forme hardware pour valider votre systme en situation relle. Seule la couche physique du systme sera aborde, et dun point de vue fonctionnel uniquement: un ux dinformation binaire se prsente un metteur et doit tre transmis par des moyens adquats vers un rcepteur. Le systme fonctionne convenablement si le mme ux binaire peut tre reproduit la sortie du rcepteur. La rpartition des diffrentes tapes dans votre cursus est la suivante: Etape 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Anne BA3 MA1 MA1 MA1 MA1 MA2 MA2 MA2 MA2 Cours ELEC-H-304 Electromagntisme ELEC-H-401 Modulation et codage ELEC-H-401 Modulation et codage ELEC-H-415 Propagation des ondes -m ELEC-H-415 Propagation des ondes -m ELEC-H-522 Tlcommunications numriques ELEC-H-522 Tlcommunications numriques PROJ-H-505 Projet de tlcommunications PROJ-H-505 Projet de tlcommunications

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Modalits pratiques

Pour chaque cours, le travail se fait par groupe de deux tudiants en Master, trois tudiants en BA3. Le programme Matlab (chier zip) ainsi quun rapport de maximum 10 pages prsentant les rsultats de simulation principaux (chier pdf ) doivent tre envoys au titulaire du cours avant chaque examen oral. Le programme Matlab et les rsultats seront prsents individuellement, conjointement lexamen oral. Les modalits pratiques (notamment les dates de remise des rapports) seront prcises par chacun des titulaires, pour chacune des tapes.

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55.1

Etape 1: Ralisation dun logiciel de ray-tracingObjectifs

Une communication numrique ne peut tre tablie que si la puissance reue dpasse un certain seuil (par rapport au bruit thermique et/ou aux interfrences causes par dautres metteurs). La premire tape de notre tude des transmissions IEEE 802.11n est le dveloppement dun simulateur de type ray-tracing permettant de prdire la puissance capte par un rcepteur connect une station de base. Ce simulateur permettra galement de dterminer quelle est la zone de couverture dune station de base 802.11n lintrieur dun btiment. Cest ce type de logiciel (complts de modles exprimentaux) qui est utilis par les oprateurs lorsquils tudient la couverture de leurs rseaux.

5.2

Le ray-tracing

Les logiciels de ray-tracing permettent de simuler la propagation des ondes lectromagntiques dans les hypothses de champ lointain. Les ondes sont alors supposes localement planes et chacune de leurs interactions avec les obstacles de lenvironnement peut tre calcule grce aux modles vus au cours dlectromagntisme (rexion, transmission, diffraction). An dacclrer les calculs, le mobilier, les portes, et les personnes ne sont pas prises en compte dans les simulations de ray-tracing et les seules interactions possibles sont: Rexion sur un mur Transmission travers un mur Diffraction par une arte (ouverture de porte,..) Chaque onde peut subir successivement plusieurs interactions au cours de sa propagation. La premire tape dun calcul de ray-tracing consiste dnir un plan de ltage du btiment dans lequel le rseau sera dploy, et y positionner la station de base et le rcepteur. Lpaisseur des murs nest pas prise en compte pour la dnition du plan (mais bien pour le calcul des coefcients de rexion,..). La deuxime tape est la dtermination des chemins de propagation possibles entre la station de base et le rcepteur. Nous ne prendrons en considration que les ondes suivantes: Londe directe Les ondes ayant subi une, deux ou trois rexions Les ondes ayant subi une seule diffraction. Chaque onde peut avoir subi en outre des transmissions au cours de son trajet. La dtermination des chemins de propagation se fait de faon purement gomtrique par la mthode des images.

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5.3

Hypothses

Les rseaux 802.11n fonctionnent la frquence de 2, 45 GHz. Conformment au modle de canal propos dans le standard 802.11n, nous supposerons que le problme est purement bi-dimensionnel: la station de base et le rcepteur se trouvent une mme hauteur du sol, et seules les ondes se propageant dans le plan horizontal sont prises en compte. Nous supposerons que les antennes sont des diple /2 verticaux, sans pertes. Les lignes de transmission qui y sont raccordes sont des cbles coaxiaux dimpdance caractristique 50 (les antennes ne sont donc pas adaptes!). Le rcepteur et lmetteur sont quant eux bien adapts ces lignes. Les cbles font un mtre de long et prsentent une attnuation de 1 dB/m. Les murs, dpaisseur gale 10 cm, sont en briques (permittivit relative r = 5, conductivit = 0, 1 S/m).

5.4

Couverture de la station de base

La zone dans laquelle le signal de la station de base peut tre capt est appele la zone de couverture de cette station de base. Pour pouvoir tablir une communication numrique la puissance reue doit dpasser un certain seuil. Ce seuil dpend du dbit binaire recherch: plus ce dbit est important, plus la puissance reue doit tre forte. Il dpend galement de la qualit de llectronique de rception. Ce seuil est appel la sensibilit du rcepteur. Conventionnellement, les puissances en tlcom sont exprimes dans une chelle logarithmique appele dBm: P [W ] P [dBm] = 10 log 1 mW Nous supposerons dans ce projet que la sensibilit du rcepteur varie linairement avec le dbit binaire, lorsque ces deux grandeurs sont exprimes en chelle logarithmique. Les valeurs extrmes de variation attendues sont: Sensibilit -90 dBm -60 dBm Dbit binaire 10 Mb/s 100 Mb/s

Notez lordre de grandeur des sensibilits! En-dessous de -90 dBm la communication est impossible. Au niveau de la station de base nous supposerons que la puissance injecte dans le cble alimentant lantenne vaut 10 dBm. Votre logiciel de ray-tracing permet donc de dterminer la zone de couverture dune station de base, mais aussi en chaque point de cette zone quel est le dbit binaire maximal.

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5.5

Rsultats

Votre logiciel de ray-tracing doit permettre de dterminer la zone de couverture dune station de base 802.11n situe dans un btiment, un tage donn. Le dbit binaire maximal en tout point de cette zone sera galement calcul. Une interface graphique vous est fournie pour prsenter vos rsultats. Votre logiciel devra tre valid sur des cas lmentaires, et ventuellement compars des solutions analytiques. Vous prsenterez une application de votre logiciel sur un cas concret choisi librement. Les temps de calcul par ray-tracing peuvent tre extrmement longs, ne soyez pas surpris! Il convient donc de choisir un cas dapplication dont la gomtrie nest pas trop complexe, surtout durant la phase de dveloppement de votre logiciel. Dpasser les objectifs minimaux noncs ci-dessus est incontestablement un plus!

66.1

Etape 2: Transmissions numriques sur canal idalObjectifs

Lorsque les dbits binaires supports par le systme ne dpassent pas quelques kb/s, leffet de dispersion temporelle caus par le phnomne de multi-trajets est ngligeable. On peut comprendre cela en observant que la dure dun symbole dinformation est beaucoup plus grande que la dure de la rponse impulsionnelle de canal de telle sorte que lon peut assimiler tous les trajets un seul trajet composite. Dans ce cas, le canal de propagation naltre pas le signal transmis et il peut tre modlis par un dlai correspondant principalement au temps de propagation des ondes: h(t) = (t ) Le signal reu est malgr tout dgrad par laddition dun bruit blanc additif Gaussien, gnr principalement dans les tages damplication du rcepteur. Lobjectif de cette tape est de construire et de simuler la chane de communications optimale dans le cas du canal idal.

6.2

La chane de communication optimale

La chane de communication optimale dans le cas du canal idal est reprsente la Figure 2 (dnition de loptimalit?). Au transmetteur, les oprations numriques suivantes sont appliques: Formation de la squence de symboles complexes, Sur-chantillonnage et ltrage par un ltre demi-Nyquist. Au rcepteur, les oprations numriques suivantes sont appliques: Synchronisation temporelle, Filtrage par un ltre demi-Nyquist et sous-chantillonnage, Dtection des symboles. 9

Figure 2: Chane de communication numrique optimale.

6.3

Formation des symboles complexes

La squence binaire au transmetteur est convertie en une squence de symboles complexes de manire amliorer lefcacit du systme de communication. Les constellations complexes possibles dans le cas des rseaux locaux sans l sont: BPSK (1 bit par symbole), QPSK (2 bits par symbole), 16-QAM (4 bits par symbole), 64-QAM (6 bits par symbole). La bande passante du systme dtermine directement le dbit symboles (pourquoi?). Le dbit binaire support par le systme de communications est gal au dbit symboles multipli par le nombre de bits par symbole.

6.4

Les ltres demi-Nyquist

Le signal transmis est mis en forme par un ltre de demi-Nyquist, qui limite le spectre du signal la bande de frquences rserve la communication. On suppose que la frquence de coupure du demi-Nyquist est gale 10 kHz. La squence de symboles doit tre sur-chantillonne par un facteur M > 1 pour permettre lopration de ltrage dans une fentre spectrale sufsante. Le ltre demi-Nyquist au rcepteur est "adapt" au ltre demi-Nyquist au transmetteur et maximise donc le rapport signal--bruit ( dmontrer). Dautre part, la convolution des deux ltres demi-Nyquist rsulte en un ltre de Nyquist qui, chantillonn la cadence symboles partir de son maximum, se rduit un dirac ( dmontrer). Linterfrence entre les symboles successifs peut donc tre compltement limine la sortie du ltre demi-Nyquist au rcepteur si le signal est chantillonn aux bons instants. La synchronisation temporelle se rduit, dans ce projet, choisir la bonne squence dchantillons au rcepteur.

6.5

Rsultats

Vous simulerez premirement lenvoi et la rception de squences binaires lorsquil ny a pas de bruit dans le systme. Il vous est demand de gnrer les ltres de demi-Nyquist partir des formules analytiques donnes dans le cours. Vous ajouterez ensuite un bruit blanc additif Gaussien au systme. Le bruit est ajout directement en bande de base et sa variance dpend du rapport signal--bruit que vous dsirez 10

simuler (signal-to-noise ratio - SNR). Vous tes nalement prt valuer les performances du systme de communications numriques en prsence de bruit et tracer les courbes de taux derreurs binaires en fonction du SNR pour diffrentes constellations.

77.1

Etape 3: Codage de canalObjectifs

La performance du systme de communications peut tre fortement affecte par des phnomnes parasites temporaires. An damliorer la robustesse de communication ces phnomnes, le systme ajoute de linformation redondante structure au ux dinformation binaire laide dun schma de codage de canal. Le dcodeur de canal exploite la structure de linformation redondante introduite pour corriger les erreurs binaires au rcepteur. Lobjectif de cette tape sera de construire et de simuler un encodeur de canal de type convolutionnel et le dcodeur de Viterbi associ.

7.2

La chane de codage de canal

Figure 3: Codage de canal. Le codage de canal comporte typiquement les oprations suivantes (voir Figure 3): La terminaison de la squence binaire, Lencodeur, Lopration de "puncturing", Linterleaver. Au rcepteur, les oprations inverses sont effectues.

7.3

Code convolutionnel et algorithme de Viterbi

Dans ce projet, nous considrerons lencodeur de canal convolutionnel utilis classiquement dans les rseaux locaux sans l (voir la Figure 4). Il est implment par une srie de 7 registres dcals. Pour chaque nouveau bit plac en entre, 2 bits sont gnrs en sortie en additionnant modulo-2 le contenu des registres relis la somme par une connexion. Linformation de dpart est estime au rcepteur en utilisant un algorithme de Viterbi bas soit sur lobservation de la sortie du ltre demi-Nyquist aprs sous-chantillonnage - soft decision decoding, soit sur lobservation de la sortie du dtecteur - hard decision decoding (comparer les deux types dobservation).

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Figure 4: Encodeur convolutionnel. Quelques bits doivent tre ajouts la squence dinformation transmise pour assurer que lencodeur retourne bien dans ltat nul la n de la squence (uniquement des "0"s dans le registre de dcalage). Dans notre cas, il faut ajouter un ensemble de 6 "0"s la squence transmise. Au rcepteur, lalgorithme de Viterbi est termin ltat nul.

7.4

Puncturing

Figure 5: Opration de "puncturing" - code rate: 3/4 (IEEE 802.11a) Lencodeur convolutionnel considr est caractris par un faible dbit gal 1/2 (deux bits sont produits pour chaque bit en entre). Pour augmenter le dbit binaire du systme, certains bits sont volontairement "abandonns" la sortie de lencodage convolutionnel. Au rcepteur, le dcodeur ajoute un chantillon factice la squence reue pour remplacer les bits supprims et mets la mtrique correspondante zro lorsque lalgorithme de Viterbi est implment.

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Figure 6: Opration de "puncturing" - code rate: 2/3 (IEEE 802.11a) Les Figures 5 et 6 illustrent le fonctionnement de lopration de "puncturing" utilise pour obtenir des dbits gaux 3/4 et 2/3 respectivement (comparer les performances et les dbits binaires dans les diffrents cas).

7.5

Interleaver

Figure 7: Interleaver en bloc. Dans une situation relle, les erreurs sont souvent co-localises dans la squence dinformation binaire (elles sont souvent causes par un phnomne physique momentan). Cet effet est particulirement gnant pour le bon fonctionnement du code convolutionnel (pourquoi?) et doit donc tre contrecarr. La manire la plus simple de compenser cet effet est de mlanger la squence de bits grce un interleaver pour rpartir les erreurs dans la squence. La Figure 7 illustre limplmentation dun interleaver en bloc: la squence binaire remplit progressivement les lignes du bloc, la squence transmise est forme progressivement partir des colonnes du bloc. Le nombre de lignes et de colonnes est un paramtre du systme.

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7.6

Rsultats

Vous implmenterez premirement lencodeur de canal convolutionnel et le dcodeur de Viterbi associ de type hard decision decoding. Lalgorithme de Viterbi tant complexe, il faut faire attention son implmentation dans Matlab pour ne pas faire exploser le temps des simulations. Vous intgrerez ensuite lensemble du codeur/dcodeur de canal (interleaver, puncturing, encodeur convolutionnel) la chane de communication complte dveloppe ltape 2. Des simulations compareront le taux derreurs binaires obtenu avec et sans codage de canal. Il est aussi intressant dajouter un bruit localis dans le temps et de dimensionner linterleaver en consquence. Finalement, vous pouvez modier le dcodeur de Viterbi pour quil fonctionne avec des entres soft et valuer le gain obtenu. Limitez vos investigations la BPSK ou la QPSK dans ce cas.

88.1

Etape 4: Modlisation du canal multi-antennesObjectifs

Pour valuer sur Matlab les performances dune communication sans l, il est ncessaire dimplmenter un modle de canal raliste. En rgle gnrale, un tel modle est galement dni par les groupes de standardisation. Nous proposons au cours de cette tape de dvelopper un simulateur de canal Matlab bas sur le modle IEEE 802.11n mais adapt lutilisation du logiciel de ray-tracing de ltape 1. Nous considrerons successivement le cas dun canal simple antenne non dispersif, puis dispersif, et enn le cas gnral dun canal multi-antennes.

8.2

Canal simple antenne non dispersif

Dans ce cas la fonction de transfert h est un scalaire. Au cours du temps, elle subit des uctuations alatoires de type Rayleigh ou Rice, soit cause du mouvement du rcepteur, soit cause du mouvement de lenvironnement autour du rcepteur. Il vous est demand dcrire un algorithme de simulation de la fonction h tenant compte de la corrlation temporelle entre chantillons.

8.3

Canal simple antenne dispersif

Votre logiciel de ray-tracing permet de prdire la rponse impulsionnelle du canal. Nous considrerons ici une rsolution temporelle de 10 ns, c--d une rponse impulsionnelle discrtise dont les taps ont cette dure. La puissance moyenne de chaque tap est donne par la somme des puissances individuelles dues chaque rayon incident au cours de ce tap (pourquoi ?). Les variations de lamplitude de chaque tap autour de sa valeur moyenne sera suppose de type Rayleigh. La phase de chaque tap sera alatoire de densit de probabilit uniforme entre 0 et 2. La corrlation temporelle entre les chantillons de chaque tap peut ventuellement tre introduite ici galement.

14

8.4

Canal multi-antennes

Dans ce cas le canal est caractris par sa matrice de transfert H. Pour chaque tap, nous calculerons cette matrice grce au modle de Kronecker, comme recommand dans le standard 802.11n. La corrlation entre antennes lmission et la rception peut tre dduite des spectres angulaires. Ceux-ci peuvent tre obtenus pour chaque tap grce votre logiciel de ray-tracing. Lespacement entre antennes des rseaux en mission et rception sera laiss en paramtre, de mme que le nombre dantennes de ces rseaux.

99.1

Etape 5: Impact du canal multi-trajets sur les communicationsObjectifs

Les simulations ralises aux tapes 2 et 3 ne correspondent pas parfaitement la ralit des communications sans l puisquelles ngligent les effets dvanouissement du signal (d par exemple au mouvement des personnes dans le btiment), et les effets de la dispersion temporelle du signal due aux multi-trajets. Cette tape consiste valuer limpact de ces phnomnes sur les transmissions simules aux tapes 2 et 3.

9.2

Rsultats

Aprs intgration du modle de canal dvelopp ltape 4 dans la chane de communications dveloppe aux tapes 2 et 3, vous pouvez valuer le taux derreurs binaires obtenu en prsence dun vrai canal de propagation. Faites varier la bande passante du systme de communication (de 1 kHz 100 MHz par exemple) et observez lvolution du taux derreurs binaires.

1010.1

Etape 6: Transmissions numriques sur canal multi-trajetsObjectifs

Comme vous lavez observ ltape prcdente, la performance de la chane de communications optimale dans le cas dun canal idal est grandement affecte par la dispersion temporelle cause par les canaux multi-trajets. Cest particulirement le cas en environnement intrieur 2.45 GHz lorsque le dbit symbole atteint approximativement 10 Ms/s. La technique OFDM est classiquement utilise dans les systmes de communications sans l actuels pour compenser la dispersion temporelle introduite dans le canal une complexit de calcul raisonable. Lobjectif de cette tape est dimplmenter une chane OFDM complte et dvaluer sa performance sur base du modle de canal que vous avez dvelopp ltape 4.

10.2

La chane de communication OFDM

La chane de communication optimale dans le cas du canal multi-trajets est reprsente la Figure 8. Au transmetteur, les oprations numriques suivantes sont appliques: Formation de la squence de symboles complexes,

15

Figure 8: Systme OFDM. Formation de blocs de symboles ("serial-to-parallel - S/P"), Multiplexage (formation de paquets dinformation et insertion des symboles pilotes), Transforme de Fourier inverse discrte ("Inverse fast Fourier transform - IFFT"), Addition dun prxe cyclique, Formation dune squence dchantillons ("parallel-to-serial - P/S"). Au rcepteur, les oprations numriques suivantes sont appliques: Synchronisation temporelle, Formation de blocs dchantillons reus ("serial-to-parallel - S/P"), Suppression du prxe cyclique, Transforme de Fourier discrte ("fast Fourier transform - IFFT"), Dmultiplexage (sparation des chantillons reus correspondants aux symboles dinformation et au symboles pilotes), Estimation et galisation du canal, Formation dune squence de symboles estims ("parallel-to-serial - P/S"), Dtection des symboles.

16

10.3

Modulation OFDM

Le principe de base de lOFDM est de regarder la convolution du signal transmis avec le canal dispersif dans le domaine temporel comme une multiplication du signal transmis avec un canal slectif dans le domaine frquentiel (signication des termes "dispersif" et "slectif"?): Les symboles complexes sont forms dans le domaine frquentiel et convertis dans le domaine temporel par une transforme de Fourier inverse discrte, Le signal est convolu avec le canal multi-trajets dans le domaine temporel, Les chantillons reus dans le domaine temporel sont convertis dans le domaine frquentiel par une transforme de Fourier discrte. Le canal est compens au rcepteur dans le domaine frquentiel par simple multiplication par linverse de la rponse frquentielle du canal. En pratique, ces oprations se font par blocs de symboles de taille nie et la transforme de Fourier (inverse) discrte est implmente grce lalgorithme de "fast Fourier transform FFT" ("inverse fast Fourier transform - IFFT") qui a une complexit de calcul rduite. Un prxe cyclique de taille suprieure celle de la rponse impulsionnelle totale doit tre ajout au transmetteur et supprim au rcepteur pour rendre des signaux cycliques (dmontrer lintrt du prxe cyclique). Dans le cas des rseaux locaux, les blocs sont composs de 64 symboles et la dimension du prxe cyclique est de 16 (discuter le choix de ces paramtres). La frquence des chantillons du signal OFDM est gale 20 MHz. La modulation OFDM permet aussi de limiter efcacement la bande passante de communication en dsactivant quelques canaux frquentiels situs sur le bord de la bande passante. Dans le cas des rseaux locaux, la bande de garde de chaque ct du spectre est compose de 6 canaux (un zro est envoy sur ces canaux).

10.4

Estimation de canal

La technique OFDM repose sur la connaissance de la rponse frquentielle du canal au rcepteur. Celle-ci doit donc tre estime avant de pouvoir tre compense. Le principe de base de lestimation de canal est denvoyer un bloc de symboles pilotes connus par le rcepteur et de dduire la rponse frquentielle du canal sur base de lobservation du bloc reu (discuter le choix de la squence pilote). Le canal est suppos constant pendant une certaine fentre temporelle pouvant stendre sur de multiples blocs de symboles OFDM. La squence dinformation est organise en paquets de plusieurs blocs de symboles OFDM prcds dun bloc (partiellement) compos de symboles pilotes (voir Figure 9). Si les pilotes ne couvrent pas lensemble des frquences porteuses, il peut tre ncessaire dinterpoler les estimes de canal sur tout le spectre. A cause du bruit blanc additif Gaussien et de linterpolation, une erreur est commise sur lestimation du canal (valuer limpact de cette erreur sur la performance du systme OFDM). La modulation OFDM permet de supprimer entirement linterfrence entre symboles si la taille du prxe cyclique est suprieure celle de la rponse impulsionnelle. La rponse impulsionnelle inclut ventuellement une imprcision sur le temps darrive du signal qui est 17

Figure 9: Paquet de symboles OFDM. inclue dans lestimation de canal. La synchronisation temporelle se rduit dans ce projet former les blocs dchantillons au rcepteur correspondant aux blocs OFDM transmis de manire correcte.

10.5

Rsultats

Vous implmenterez premirement la chane OFDM en absence de bruit et vrierez que lOFDM permet bien de compenser parfaitement la dispersion temporelle du canal. Le modle de canal dvelopp ltape 4 sera intgr la chane de simulation. Vous ajouterez un bruit blanc additif Gaussien au systme. Le bruit est ajout directement en bande de base et sa variance dpend du rapport signal--bruit que vous dsirez simuler (SNR). Vous tes nalement prt valuer les performances du systme de communications OFDM en prsence du canal et du bruit et de tracer les courbes de taux derreurs binaires en fonction du SNR pour diffrentes constellations. Notez que la performance est moyenne sur le canal et sur le bruit.

1111.1

Etape 7: Systmes multi-antennesObjectifs

Les systmes de communications sans l, et entre autres les rseaux locaux WiFi, intgrent aujourdhui les technologies multi-antennes pour accrotre leur capacit et leur abilit. Plusieurs antennes sont potentiellement places de chaque ct du lien de communication. Le systme peut tre symtrique (nombre identique dantennes lmetteur et au rcepteur) dans le cas dune communication entre deux terminaux mobiles ou asymtrique (nombre diffrent dantennes lmetteur et au rcepteur) dans le cas dune communication entre une station de base et un terminal mobile. On parle de systme SIMO (single-intput multi-outputs), MISO (multi-inputs single-output) et MIMO (multi-inputs multi-outputs) selon que lmetteur et le 18

Figure 10: Compromis gain de multiplexage spatial/gain de diversit. rcepteur utilisent une ou plusieurs antennes. Nous supposerons dans ce projet un nombre maximal dantennes gal 4 de chaque ct du lien. Les techniques de codage pour systmes antennes multiples se rpartissent entre deux catgories majeures: Les techniques de multiplexage spatial, permettant daccrotre signicativement les dbits supports, Les techniques de codage spatio-temporel, permettant damliorer signicativement la abilit de la communication. Comme illustr la Figure 10, ces techniques sont complmentaires: le multiplexage spatial sera plutt utilis lorsque le terminal est proche de la station de base pour maximiser le dbit binaire, le codage spatio-temporel sera plutt utilis lorsque le terminal sloigne de la station de base pour augmenter la couverture du rseau (faire le lien avec vos simulations). Lobjectif de cette tape est de mettre les techniques multi-antennes en oeuvre, de les combiner avec la technique OFDM, et dvaluer la performance du systme obtenu sur base du modle de canal dvelopp ltape 4.

11.2

Multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste envoyer des ux dinformation indpendants sur diffrentes antennes lmetteur. De ce fait, la capacit du systme est simplement multiplie par le nombre de ux supports. Pour que le systme fonctionne, le nombre dantennes au rcepteur doit au moins tre gal au nombre dantennes lmetteur (pourquoi?). Nous supposerons dans ce projet que le canal nest pas connu lmetteur et quil ny a donc pas de prcodage. Le rcepteur reoit la somme des diffrents ux dinformation aprs passage dans le canal. Un galiseur est charg de dcoupler les informations sur base de lobservation du signal aux diffrentes antennes. It peut tre optimis selon diffrents critres: inversion du canal (ZF Zero-Forcing en Anglais), minimisation de la variance de lerreur destimation des symboles (MMSE - Minimum Mean Square Error en Anglais), maximum de vraissemblance (ML - Maximum Likelihood en Anglais). 19

11.3

Codage spatio-temporel

Le codage spatio-temporel consiste coder des ux dinformation entre les diffrentes antennes lmetteur. De ce fait, le systme peut bncier de la diversit dans le canal et la abilit de la communication est grandement amliore. Nous supposerons, dans ce projet, un codage spatio-temporel orthogonal, de sorte que le rcepteur optimis selon le critre du maximum de vraissemblance se rduit un simple ltre adapt linaire (pourquoi ?). En dautres mots, toute linterfrence entre les ux dinformation en sortie du ltre adapt est supprime ( dmontrer). Lmetteur compte 2 ou 4 antennes, le rcepteur compte maximum 4 antennes.

11.4

Combinaison MIMO-OFDM

Figure 11: MIMO-OFDM. Les techniques MIMO ont t initialement conues en faisant lhypothse dun canal non dispersif dans le temps. Etant donn que lOFDM transforme un canal dispersif dans le temps en une srie de sous-canaux indpendants rpartis sur le spectre des frquences (appels les porteuses), il est possible dappliquer facilement les techniques MIMO chaque sous-canal cr par lOFDM sans les modier. Le principe est illustr la Figure 11. Lobjectif ultime de ce projet est de combiner la technologie MIMO avec la technologie OFDM. Dans un systme multi-antennes, le nombre de canaux estimer au rcepteur est gal au produit du nombre dantennes lmetteur par le nombre dantennes au rcepteur. Lensemble des canaux peuvent tre simplement estims en envoyant un bloc de symboles pilotes successivement chaque antenne lmetteur et en estimant les canaux correspondant aux antennes au rcepteur. Linconvnient majeur de cette mthode est le surplus important dinformation transmettre ncessaire pour estimer les canaux. Une autre mthode consiste diviser le nombre de porteuses OFDM entre les diffrentes antennes lmetteur. Un bloc de symboles pilotes est envoy chaque antenne sur le sous-ensemble de porteuses OFDM assign cette antenne. Au rcepteur, chaque canal est estim sur base de lobservation du sous-ensemble de porteuses correspondant et en interpolant le rsultat sur lensemble des sous-porteuses. Cette deuxime mthode ne require pas de surplus dinformation transmise ddie lestimation de canal mais offre une performance moindre en terme de variance derreur destimation (pourquoi?).

20

11.5

Rsultats

Dans un premier temps, les techniques de codage spatio-temporel et de multiplexage spatial seront implmentes et valides pour des canaux non slectifs en frquence. Une simple matrice de canal compose dlments normaliss non corrls sera considre cet effet. Les techniques multi-antennes seront ensuite combines la chane OFDM dveloppe dans ltape prcdente. La chane de communications intgrera la modle de canal dvelopp ltape 4. Le taux derreurs binaires et la capacit obtenus laide des techniques de codage spatio-temporel et de multiplexage spatial seront valus et compars.

1212.1

Etape 8: SynchronisationObjectifs

Etant donn que lmetteur et le rcepteur sont dlocaliss, il est ncessaire que le rcepteur se synchronise sur lmetteur avant que la communication ne puisse tre effectivement tablie. Lobjectif de cette tape est de raliser les fonctions suivantes: Linstant darrive du paquet doit tre estim et compens, Le dcalage de frquence porteuse d limprcision des oscillateurs locaux doit tre estim et compens, La rotation de phase cause par lerreur rsiduelle destimation de frquence porteuse doit tre traque (on parle de tracking en Anglais). Dans ce projet, nous ngligeons limpact du dcalage de frquence dchantillonnage qui reste faible si les paquets considrs sont sufsamment courts (quelle est la taille raisonnable des paquets?).

12.2

La chane de synchronisation

Figure 12: Structure de synchronisation. La chane de synchronisation considre dans ce projet est illustre la Figure 12. La partie suprieure du diagramme reprsente lestimation du dcalage de frquence porteuse et 21

lestimation de canal. La partie intermdiaire du diagramme reprsente le tracking de lerreur rsiduelle destimation de la frquence proteuse. La partie infrieure du diagramme reprsente la rception des symboles dinformation. A noter que les signaux reus aux diffrentes antennes du rcepteur sont combins pour amliorer lestimation des paramtres.

12.3

Structure de paquet

Le paquet transmis est structur en diffrentes parties pour supporter la synchronisation: Une squence dapprentissage est place lavant du paquet sur base de laquelle lacquisition (estimation de linstant darrive et de la frquence porteuse) et lestimation de canal peuvent tre ralises, Des symboles pilotes sont insrs parmi les symboles dinformation sur base desquels le tracking de la rotation de phase peut tre ralis.

Figure 13: Structure de paquet. Nous supposerons une structure de paquet similaire celle propose dans le standard IEEE 802.11n. Elle est illustre la Figure 13. Lacquisition de linstant darrive et de la frquence porteuse est ralise sur base de lobservation dune squence dapprentissage envoye sur la premire antenne lmetteur. Lestimation des canaux relatifs la premire antenne de lmetteur repose sur lobservation de la dernire partie de cette mme squence dapprentissage. Lestimation des canaux relatifs aux autres antennes de lmetteur repose sur lobservation de squences dapprentissage envoyes successivement aux autres antennes de lmetteur. Le tracking de lerreur rsiduelle dacquisition de la frquence porteuse est ralis sur base dun ensemble de symboles pilotes entrelacs dans les symboles dinformation.

12.4

Acquisition de linstant darrive du paquet

La mthode dauto-corrlation est gnralement utilise pour estimer linstant darrive du paquet. Elle repose sur lenvoi dune squence priodique lmetteur. Le signal reu, de priode 22

identique celle du signal transmis, est corrl avec lui-mme sur la dure dune priode et le maximum est choisi comme instant dorigine. A noter quune squence de type pseudo-noise est gnralement utilise comme squence dapprentissage (pourquoi?).

12.5

Acquisition du dcalage de frquence porteuse

Le dcalage de frquence porteuse peut directement tre dduit de la sortie de lauto-corrlateur utilis pour lestimation de linstant darrive du paquet. Il sobtient en moyennant la diffrence de phase entre deux chantillons dcals dune priode du signal reu. Linstant darrive du paquet est donc driv en observant le module de la sortie de lautocorrlateur. Le dcalage de frquence porteuse est driv en observant langle de la sortie de lauto-corrlateur.

12.6

Tracking du dcalage de frquence porteuse rsiduel

La rotation de phase des symboles due lerreur rsiduelle dacquisition de la frquence porteuse est estime en observant un ensemble de symboles pilotes entrelacs dans les symboles dinformation. Pour chaque bloc OFDM, il suft de moyenner la rotation de phase observe sur les symboles pilotes aprs compensation du canal (pourquoi?). Typiquement 4 symboles pilotes, identiques et placs sur les mmes porteuses pour toutes les antennes de lmetteur, sont envoys par bloc OFDM. Etant donn que les mmes symboles pilotes sont envoys sur les mmes porteuses, le canal observ chaque antenne du rcepteur est la somme des canaux relatifs toutes les antennes de lmetteur. La rotation de phase peut tre estime indpendemment chaque antenne du rcepteur et le rsultat peut tre ensuite moyenn entre les antennes. Dans ce projet, nous estimons la rotation de phase pour chaque bloc OFDM indpendemment. Une amlioration possible consiste implmenter une boucle verrouillage de phase qui a pour effet de ltrer les estimes au l du paquet.

12.7

Rsultats

Avant de raliser la structure de synchronisation, vous devrez ajouter les effets suivants votre chane de simulations: le dlai de rception des signaux et le dcalage en frquence. Dans un premier temps, vous implmenterez lacquisition du temps darrive des paquets et du dcalage de frquence sur base de la squence pilote envoye en dbut de paquet. La variance de lerreur commise est souvent value pour quantier la performance de vos algorithmes. Dans un deuxime temps, vous implmenterez le tracking de la rotation de phase cause par lerreur de frquence rsiduelle dans le domaine frquentiel sur base de symboles pilotes entrelacs aux symboles dinformation. Vous pouvez aussi valuer la variance derreur destimation de la rotation de phase.

23

Finalement, vous simulerez le systme complet et valuerez le taux derreur binaire obtenu. Vous pouvez quantier la dgradation du taux derreur binaire cause par les erreurs de synchronisation.

1313.1

Etape 9: ImplmentationObjectifs

Vous voici prts envoyer vos signaux de tlcommunications dans lair! Lobjectif de cette dernire tape est de valider votre chane de simulations exprimentalement grce un appareillage exprimental de marque Rohde et Scwharz.

13.2

La transmission des signaux

Figure 14: SMATE200A La source de signal est un appareil cr par Rohde et Schwarz appel "SMATE200A" et illustr la Figure 14. Elle permet de gnrer des signaux fortement personnalisables et ce de deux manires diffrentes: directement sur lappareil (via une interface graphique connecte par VGA) ou distance (par un dispositif externe). Lavantage de cette deuxime mthode est que vous pourrez directement commander cet appareil partir de Matlab, et ainsi faire le lien avec votre chane de simulations. Dans le cadre du projet, cette source sera connecte un PC via un cble Ethernet standard. Pour information, le lien entre ce PC de mesure et la source se fait grce un protocole nomme VISA, qui permet lenvoi de commandes standard (le langage se nomme "SCPI" pour Standard Commands for Programmable Instruments). Sous Matlab, vous enverrez donc la source des commandes en format SCPI pour faire les diffrents rglages et envoyer vos donnes (voir annexe).

24

13.3

La rception des signaux

Figure 15: FSG spectrum analyzer Le rcepteur est galement un appareil cr par Rohde et Schwarz appel "FSG Spectrum Analyzer" et illustr la Figure 15. Il permet dafcher les signaux reus en temporel ou en frquentiel, et ce en temps rel. Il est galement possible de le commander distance laide de Matlab. Ce rcepteur sera aussi connect un PC portable via un cble Ethernet standard. Le lien entre ce PC de mesure et le rcepteur se fait galement grce au protocole VISA et aux commandes "SCPI". Sous Matlab, vous enverrez donc au rcepteur des commandes en format SCPI pour faire les diffrents rglages et pour rapatrier vos donnes (voir annexe).

13.4

Montage de base

Vous raliserez le montage illustr la Figure 16 avec une antenne la source et une antenne au rcepteur (mode SISO pour "Single-Input Single-Output"). Vous rutiliserez votre chaine Matlab OFDM en vous assurant dabord quelle fonctionne et quelle implmente la synchronisation correctement. Supprimez au pralable de votre chaine les aspects "front-end analogique" et "canal de communication" qui seront pris en charge par les appareils utiliss. Il vous sera ensuite demand de remplacer ces aspects par des lignes de commandes permettant denvoyer les donnes sous forme I-Q la source et de les extraire du rcepteur. Vous congurerez dune part la source pour quelle envoye un paquet de donnes gnr par votre chane de simulations de manire priodique. Dautre part, vous congurerez le rcepteur pour quil observe le signal sur une fentre temporelle sufsamment longue pour mmoriser une priode complte du signal reu. Un dcalage de frquence peut tre introduit articiellement au rcepteur (le dcalage en frquence rel est ngligeable pour les appareils de mesures compar aux chips commerciaux intgrs dans les terminaux mobiles).

25

Figure 16: Montage SISO

13.5

Rsultats

Dans un premier temps, vous raliserez le montage SISO. Vous testerez dabord votre chane de simulations complte lorsque les antennes de la source et du rcepteur sont en ligne de vue directe. Vous tendrez ensuite vos rsultats des congurations diverses (la source et du rcepteur sont dans deux pices diffrentes...). Faites le lien avec vos rsultats de simulations (puissance obtenue par ray-tracing, taux derreurs binaires obtenu par simulations OFDM...). Vous tendrez ensuite votre montage aux systmes multi-antennes: la source permet denvoyer deux signaux simultanment, un switch peut tre utilis au rcepteur pour crer articiellement un rseau dantennes. Vriez le gain en porte et en capacit obtenu grce aux techniques multi-antennes. Faites le lien avec vos rsultats de simulations (corrlation entre antennes, taux derreurs binaires obtenu par simulations MIMO-OFDM...).

26

14

Simulation dun systme de communications sans-l La simulation se fait habituellement en bande de base, indpendamment de la frquence porteuse. Les signaux et le canal de propagation sont donc reprsents par leur enveloppe complexe. Matlab tant un logiciel de simulations numriques, il ne peut grer que des squences dchantillons et non des signaux en temps continu. Pour simuler les signaux dans la partie analogique de la chane de communication, on travaillera une cadence sufsamment leve dchantillonnage pour apprhender toutes les composantes spectrales du systme. Le but de la simulation est dvaluer le taux derreurs binaires en fonction du rapport signal--bruit au rcepteur (dni quel endroit du rcepteur?). La performance du systme est gnralement moyenne sur de nombreuses ralisations du canal de propagation.

27

15

Conseils de styles Veillez structurer vos programmes au maximum. Un script principal (chier de commandes, avec extension .m) reprendra lensemble de la simulation, et fera lui-mme appel des scripts secondaires. En particulier, un script rassemblera lensemble des paramtres que lon peut rgler et un autre soccupera de lafchage des rsultats. Un exemple de script principal est donn ici: clear all; close all; % Dnition des paramtres de simulation parametres; % Calcul des variables utiles dpendant de ces paramtres setup; % Calcul des signaux dans lmetteur emetteur; % Passage travers le canal canal; % Calcul des oprations effectues au rcepteur recepteur; % Afchage des rsultats resultats; Faites appel aux fonctions (rutilisables!) chaque fois quun rsultat doit tre calcul sur base de paramtres bien identis: function [out1,out2,...] = mafonction(arg1,arg2,...) Commentez vos programmes. Dnissez les entres et sorties de vos fonctions directement aprs leur dclaration. Un signal sera reprsent par une suite de n chantillons stocks dans un vecteur de taille n 1. Si une mme opration est effectue sur k signaux semblables, on utilisera une matrice multidimensionnelle de taille n k. Ajoutez une grille, les noms des axes, une lgende vos gures. Choisissez proprement les chelles des axes, en particulier des chelles identiques si vous souhaitez effectuer des comparaisons.

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16

Quelques fonctions Matlab utilesrand randint randn abs angle fft ifft fftshift rcosr butter cheby1 cheby2 ellip besself impz freqz reshape permute gure subplot plot stem grid axis xlabel/ylabel title legend hold gnration de signaux alatoires uniformes gnration dune squence alatoire binaire gnration de signaux alatoires Gaussiens module phase fast Fourier transform inverse fast Fourier transform centrage du spectre autour de "0" ltre (demi-)Nyquist ltre de Butterworth ltre de Chebyshev, type 1 ltre de Chebyshev, type 2 ltre elliptique ltre de Bessel rponse impulsionnelle des ltres rponse frquentielle des ltres rorganisation des lments des matrices permutation entre les dimensions des matrices ouverture dune gure division de la gure en sous-gures afchage dune fonction afchage dune squence ajout dune grille dnition des axes ajout du noms des axes ajout dun titre ajout dune lgende afchage de plusieurs fonctions

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Commande du SMATE

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Commande du FSG

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