Prototypage d’un système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène

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Prototypage d’un système MIMO-MC- CDMA sur plate-forme hétérogène Christophe Le Guellaut Thèse de doctorat – INSA de Rennes 26 janvier 2009 Directeur de thèse : Fabienne Nouvel Groupe Communications Propagation Radar Équipe Prototypage et system on chip

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Prototypage d’un système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène. Christophe Le Guellaut Thèse de doctorat – INSA de Rennes 26 janvier 2009. Directeur de thèse : Fabienne Nouvel Groupe Communications Propagation Radar Équipe Prototypage et system on chip. Les systèmes sans-fil - PowerPoint PPT Presentation

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Prototypage d’un système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène

Prototypage d’un système MIMO-MC-CDMA sur plate-forme hétérogène

Christophe Le Guellaut

Thèse de doctorat – INSA de Rennes

26 janvier 2009

Directeur de thèse : Fabienne NouvelGroupe Communications Propagation Radar

Équipe Prototypage et system on chip

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 2

Plan de la présentation

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

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Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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L’évolution des systèmes sans-fil

Appareils communicants dédiés à certains services (ou réseaux)

Mobile Réseau cellulaire Téléphonie, SMS

PC Réseau local (LAN) Internet par réseau téléphonique

fixe (RTC, RNIS)

L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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L’évolution des systèmes sans-fil

De nouveaux services pour le mobile

WPAN(1) (Bluetooth) Internet par Wi-Fi (WLAN(2)) Internet par réseau cellulaire

(UMTS) Voie sur IP (VOIP) avec Unik

De nouvelles possibilités pour le PC Internet mobile (réseau cellulaire)

De plus en plus de standards dans les terminaux

Internet(1) : WPAN : Wireless Personnal Access Network(2) : WLAN : Wireless Local Access Network

3G

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse

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L’évolution des systèmes sans-fil

Architectures reconfigurables statiquement (architecture paramétrable) Nécessite l’arrêt de la transmission, puis la réinitialisation à chaque changement de

configuration

Architectures reconfigurables dynamiquement Permet à tout instant de désallouer des ressources Changement de configuration pendant une communication (temps-réel) Ex. : radio-logicielle, radio cognitive

UMTSGSM

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse

Multiplication des standards = multiplication des puces intégrées

Terminal « universel » sur une architecture adéquate (reconfigurable)

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Objectifs de la thèse

Les thématiques Nouvelle forme d’onde (4G),

communes aux réseaux locaux et cellulaires maximisant

Le débit Le nombre d’utilisateurs La fiabilité de la liaison

Les formes d’onde de type OFDM ou MIMO-OFDM (LTE, Wimax) fortement pressenties

Plate-forme multi-standards pour tester différentes formes d’onde

L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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Objectifs de la thèse

Travaux antérieurs à la thèse Plate-forme Sundance (cartes, composants, code) Modem MC-CDMA sur une bande de 25 MHz (débits ~20 Mbit/s) sur canal

analogique filaire

Contexte Projet Palmyre(1) (2002 – 2005) Projet Palmyre 2 (2007 – 2013)

Objectifs Développer la partie numérique du modem pour incorporer la composante MIMO

MIMO 2x2 Problématiques d’estimation de canal, de synchronisation dans le cas MIMO

S’interfaçer avec un canal : Canal réel + segment RF associé Simulateur de canal

Enrichir la plate-forme avec de nouvelles applications(1) : PlAte-forme de déveLoppeMent d’évaluation des sYstèmes Radio-Electriques

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

L’évolution des systèmes sans-filObjectifs de la thèse

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Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

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La plate-forme de prototypage

La plate-forme Sundance 1 émetteur PC + cartes Sundance

(TX) 1 canal composants analogiques 1 récepteur PC + cartes

Sundance (RX)

Des solutions Sundance modulaires 1 carte mère (relié au PC par port

PCI) Des cartes filles (DSP, FPGA,

convertisseurs)

Canal

TxRx

DSP FPGA CAN/CNA

La plate-forme de prototypage

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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La plate-forme de prototypage

Emetteur DSP (SMT335)

TI C6201 à 200 MHz (virgule fixe) FPGA (SMT398)

Virtex-2 à 2 millions de portes CNA (SMT388)

14 bits non signés @ 130 MHz Ports de communications

Sundance digital bus (SDB) à 200 Mo/s Communication port (CP) à 20 Mo/s

Partitionnement du système : DSP : configuration du modem FPGA : schéma de transmission

Sortie du CNA signal MC-CDMA (B=25 MHz) FI1 = 12,5 MHz, ou 37,5 MHz

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

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La plate-forme de prototypage

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

Récepteur DSP (SMT375)

TI C6701 à 200 MHz (virgule flottante) FPGA (SMT398)

Virtex-2 à 2 millions de portes CNA (SMT380)

12 bits non signés @ 130 MHz Ports de communications

Sundance digital bus (SDB) à 200 Mo/s Communication port (CP) à 20 Mo/s

Partitionnement du système : DSP : configuration du modem FPGA : schéma de réception

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La plate-forme de prototypage

Le canal (filaire) utilisé Amplificateur 20 dB Atténuateur variable 0 – 60 dB Filtre d’émission (passe-bas, fc =

50 MHz)

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La plate-forme de prototypage

Horloge

D’autres canaux à considérer Simulateur de canal sans-fil (logiciel ou

matériel) Canal « réel » (rajout d’un segment RF)

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Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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1 symbole MC-CDMA

La technique MC-CDMA

Combinaison de l’OFDM et du CDMA Le CDMA étale les données d’après le facteur d’étalement Lc L’OFDM multiplexe les données sur Nc sous-porteuses

Accès multiple provient du code attribué à chaque utilisateur Exemple : Lc=16, Nc = 64 et 3 utilisateurs

1 2 3 4

3ème utilisateur

2ème utilisateur

1er utilisateur

1 16 32 48 64

Sous-porteuses

t

1 2 3 4

1 2 3 4Codes

… … … …

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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Les paramètres systèmes

Forme d’onde MC-CDMA paramétrable

Estimation de canal canal quasi-statique Applications « indoor »

Synchronisation trame Détection du début de trame

Sortie de la chaîne en fréquence intermédiaire

FI = 12,5 MHz FI = 37,5 MHz

Mode SISO

Formes d’onde CDMA, OFDM, MC-CDMA

Bande 25 MHz

Constellation MDP4 - MAQ16

Gain d’étalement Lc 2 - 32

Nombre de points Nc (FFT) 64 - 256

Nombre d’échantillons (Ng) de l’intervalle de garde (IG)

0 - 100

Nombre de symboles par trame 6 - 20

Nombre de symboles d’estimation par trame

1

Nombre de symboles de synchronisation par trame

1

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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La chaîne d’émission-réception

CNABBFIIGIFFTPAD

Entr

ela

ceur

Éta

lem

ent

Map.In

sert

ion

Est

imati

on

Inse

rtio

nSynch

ro

Canal SISO

CANFIBB

Synch

ro

IG-1FFTPAD-1

Égalis

ati

on

Entr

ela

c. -1

Éta

lem

ent -1

Map.-1

Estimation du canal

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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Trames MC-CDMA

La chaîne d’émission-réception

Prototype fonctionnel Débits de l’ordre de 20 Mbit/s Latence de quelques sec. lors de la

transmission d’un flux vidéo Visualisation des erreurs de

transmission

Améliorations envisageables Synchronisation fréquentielle Canal sans-fil Autre forme d’onde

Symboles d’estimation et de synchronisation

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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Les paramètres systèmes

Remarques sur le format des trames Rythme identique sur toute la chaîne (25

MHz) Format de trame déterminé en

début de chaîne Symboles nuls pour recevoir le

symbole pilote, le symbole de synchronisation

En début de chaîne, des espaces inter-symboles pour l’intervalle de garde

OFDM_WAIT Entre les trames, des pauses

FRAME_WAIT Transmission par flux continu ou par

« burst »

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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L’estimation de canal

Avant le passage au MIMO Estimation de canal SISO Synchronisation trame SISO

L’estimation de canal pour les systèmes multi-porteuses Estimation des coefficients du canal sur chaque sous-porteuse (fréquentielle)

A l’émission, insertion de données connues du récepteur (pilotes) En réception, détermination des coefficients du canal Hk (par sous-porteuse)

Egalisation de canal Compensation des effets du canal Algorithmes de détection

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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L’estimation de canal à l’émission

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Conclusions et perspectives

Insertion de pilotes dans le flux de données Superposition des pilotes aux données (codage)

Complexité Multiplexage des pilotes avec les données (1 symbole – ex. : 802.11)

Insertion de pilotes sur toutes les sous-porteuses

1 Nc

… …

t

Pilotes

1 25 6

1 23 4

1 21 2

Pilotes

Sous-porteuses

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L’estimation de canal en réception

Comparaison du symbole reçu au symbole local Simple à mettre en œuvre

Calcul des coefficients d’égalisation Détection mono-utilisateur (MRC, EGC, ZF, MMSE) Détection multi-utilisateurs

Technique de détection Coefficient d’égalisation Commentaires

Combinaison à gain maximal (MRC)

Optimal pour le BBAG

Combinaison à gain égal

(EGC)

Corrige les distorsions de phase

Zero-Forcing (ZF) ou ORC Amplifie le bruit pour des Hk faibles

Erreur quadratique moyenne minimal (MMSE)

Estimation du RSB γk

*kk HG

2

*

k

k

H

HkG

kk

k

H

HkG

12

*

k

kk H

HG

*

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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L’estimation de canal

Zero-Forcing (ZF) utilisé pour son compromis performance/complexité

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

MF : Matched Filter(filtre adapté)

Performances des algorithmes de détection mono-utilisateurs pour un système MC-CDMA non codé sur canal de Rayleigh avec Lc = 16 = Nu (Nombre d’utilisateurs actifs).

Performances ZF et MMSE proches

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Conclusions et perspectives

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La synchronisation trame

Contribution sur la synchronisation SISO Initialement, signal entre émetteur et récepteur Synchronisation trame pour détecter le début des trames

Emetteur et récepteur indépendants Principe

Insertion d’une séquence spécifique dans le flux de données Un symbole complet de synchro, inséré en temporel après l’IFFT

IGIFFTInsertionSynchro

Domaine fréquentiel

Domaine temporel

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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La synchronisation trame

Séquence pseudo-aléatoire (SPA) à longueur maximale Autocorrélation forte Intercorrélation faible

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

En réception, un corrélateur détecte le symbole de synchro dans le flux Pic de corrélation dépendant de la longueur de la séquence

Un comparateur à seuil décide du début de trame (PFA, PND)

2 types de corrélation pour détecter le début de trame Intercorrélation de la séquence reçue avec une séquence locale (classique)

Autocorrélation de la séquence reçue (optimisée / complexité)

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La synchronisation trame

Synchronisation par intercorrélation Flux de données corrélé avec la séquence de synchro locale

Avantage : méthode connue, efficace Inconvénient : besoin important en ressources (mémoires, MAC)

Méthode trop complexe pour notre cible, on utilisera plutôt l’autocorrélation

N

nyx nynxC

1, )().()(

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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La synchronisation trame

Synchronisation par autocorrélation Principe :

Corrélation sur 2 demi-séquences identiques (= autocorrélation) Plus de référence locale fixe, mais des séquences glissantes

Avantage : Complexité diminuée : seulement 2 x et 2 +/-

Inconvénient : Amplitude du pic moins élevée Réglage du seuil

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Conclusions et perspectives

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La synchronisation trame

Influence de l’intervalle de garde (IG) sur la corrélation L’IG est un préfixe cyclique L’IG se rajoute sur le symbole de synchro

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Corrélateur(A)

S1S1 IG(A)

(B)

S1S1 IG(B)

(C)S1S1 IG(C) (D)

S1S1 IG(D)

L’IG provoque un effet palier sur le maximum d’autocorrélation (Ng pics)

Le palier permet de renforcer la synchronisation en évitant les fausses alarmes

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La synchronisation trame

Effet du seuillage : Le seuillage provoque une avance de synchronisation

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

seuil

C>seuil

Comparateur à seuil

Corrélateur

L’avance de synchro est absorbée par l’IG et modifie la placement de la fenêtre de FFT (rotation de phase)

La rotation de phase sera compensée lors de l’égalisation

La synchronisation trame a été validée et a permis de rendre TX et RX indépendants

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Résultats d’implémentation du système SISO

Résultats d’implantation sur cible FPGA

Le design complet du TX occupe 56% de la cible

Le design complet du RX occupe 67% de la cible

Fonctions les plus coûteuses FFT/IFFT (CORE) FHT (CORE transformée

d’Hadamard) Transposition en FI Estimation/égalisation

Passage à une forme d’onde plus complexe peut être délicat pour l’implantation sur la cible

Occupation du designMC-CDMA TX (SISO)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

esF

lip-F

lop

LU

T4

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

Occupation du designMC-CDMA RX (SISO)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

esF

lip-F

lop

LU

T4

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

La technique MC-CDMALes paramètres systèmesLa chaîne d’émission réceptionL’estimation de canalLa synchronisation trameRésultats d’implémentation du système SISO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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Les techniques MIMO

Plusieurs antennes à l’émission et à la réception (2x2, 4x2, 2x4, 4x4, etc.) Une nouvelle dimension : l’espace

Multiplexage spatial pour améliorer le débit (BLAST) Diversité spatiale pour fiabiliser la liaison : codage temps-espace en bloc, en treillis

(STBC, STTC) On s’intéresse aux schémas MIMO 2x2 utilisant la diversité spatiale

Améliorer la robustesse de la liaison Schéma « simple » à implémenter

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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Les techniques MIMO

Un schéma de diversité spatiale pour MIMO 2x2 : le schéma d’Alamouti Schéma de codage en bloc, simple ( , (.)* ), orthogonal Rendement du code R = 1 (maximal) Récepteur simple

Combinaison de l’Alamouti 2x2 avec l’OFDM SFBC-OFDM : codage des sous-porteuses d’un symbole OFDM STBC-OFDM : codage des symboles OFDM

Applications de type indoor Diversité spatiale uniquement

2

1

XX

XX*1

*2Ant. 1

Ant. 2

[t+Ts] [t]

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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Proposition d’un schéma d’émission MIMO

CanalMIMO

CNABBFIIGIFFTPAD

Entr

ela

ceur

Éta

lem

ent

Map.

Inse

rtio

nEst

imati

on

Synchro

STBC

CNABBFIIGIFFTPAD Synchro

CANFIBB

Syn

chro

IG-1FFTPAD-1

STBC-1

Ent

rela

c. -1

Éta

lem

ent-1

Map.-1

CANFIBBIG-1FFTPAD-1

Estimation du canal

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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Les paramètres du système MIMO proposé

Mêmes caractéristiques que le système SISO

Trame MIMO différente de la trame SISO (contrainte architecturale)

2 symboles de synchro 2 symboles d’estimation

Avantage Simplicité de mise en œuvre et

validation rapide Inconvénient

Non optimal Perte en débit utile

Mode MIMO

Formes d’onde MIMO- MC-CDMA

Bande 25 MHz

Constellation MDP4 / MAQ16

Gain d’étalement Lc 2 - 32

Nombre de points Nc (FFT) 64 - 256

Intervalle de garde Ng 0 - 100

Nombre de symboles par trame 6 - 20

Nombre de symboles d’estimation par trame

2

Nombre de symboles de synchronisation par trame

2

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 36

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

Schéma MIMO proposé 2 IFFT (Tx) 2 FFT (Rx)

Propriété intellectuelle (IP) FFT 2.1 XilinX

Mode « streaming » (continu) Besoin important en ressources

Contribution : un nouveau schéma MIMO avec 1 seule IFFT

Ressources de la cible utilisées par l'IP FFT 2.1 XilinX (streaming)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Taux

d'o

ccup

atio

n

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 37

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

Principe de la contribution Les codeurs STBC (Alamouti, Tarokh) insèrent de la redondance dans le flux

de données Ces données sont envoyées à un bloc OFDM (IFFT) Idée : l’OFDM calcule inutilement des IFFT sur ces redondances. Ces

redondances peuvent être exprimées en fonction des symboles non codés après IFFT

Avantages : 1 seul bloc IFFT quel que soit le nombre d’antennes d’émission Simple à mettre en œuvre Schéma en réception inchangé

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 38

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

Démonstration pour 2 antennes Tx (Alamouti) :

Soit la matrice de codage d’Alamouti codant les symboles fréquentiels X1 et X2 :

Les symboles codés STBC sont transformés par IFFT :

*2*1

1

2

X X

X X

*2*1

( ) ( )

( ) ( )

IFFT IFFT

IFFT IFFT

1

2

X X

X X

Ant. 1

Ant. 2

[t+Ts] [t]

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 39

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

Or, en utilisant la propriété , où :

Alors :

** xX ~)( IFFT

11 ,

0 si ,~ avec ,~~ 0**

Nkx

k xxx

Nkkkx

2*1

1*2

2

1

xx

xx

XX

XX~

~

)()(

)()(*1

*2

IFFTIFFT

IFFTIFFT

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

x

x

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 40

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

On obtient un nouveau schéma d’émission OFDM-CSTBC Matrice de codage STBC modifiée (CSTBC) pour l’équivalence avec le schéma

classique

Exemple pour 2 antennes d’émission :

Schéma classique STBC-OFDM avec codage d’Alamouti

Nouveau schéma OFDM-CSTBC avec codage

d’Alamouti

2*1

1*2

xx

xx~

~

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 41

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

Architecture du codeur CSTBC proposé Besoin en BRAM, slices Compatible STBC, CSTBC

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Occupation du design (C)STBC

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Taux

d'o

ccup

atio

n

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sur plate-forme hétérogène 42

Étude d’un nouveau schéma d’émission MIMO

Implantation des systèmes STBC-OFDM et OFDM-CSTBC

1 seule IFFT au lieu de 2 Complexité du bloc CSTBC

équivalente à celle du bloc STBC Économie des ressources d’un

facteur 2

Valide pour tout système STBC-OFDM

1 seule IFFT quel que soit le nombre d’antennes d’émission

Non applicable en réception

Occupation du designSTBC-OFDM

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

es

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

Occupation du designOFDM-CSTBC

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

es

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 43

La chaîne d’émission-réception MIMO initiale

CanalMIMO

CNABBFIIGIFFTPAD

Entr

ela

ceur

Éta

lem

ent

Map.

Inse

rtio

nEst

imati

on

Synchro

STBC

CNABBFIIGIFFTPAD Synchro

CANFIBB

Syn

chro

IG-1FFTPAD-1

STBC-1

Ent

rela

c. -1

Éta

lem

ent-1

Map.-1

CANFIBBIG-1FFTPAD-1

Estimation du canal

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 44

La chaîne d’émission-réception MIMO proposée (finale)

CanalMIMO

CNABBFIIG

Entr

ela

ceur

Éta

lem

ent

Map.

Inse

rtio

nEst

imati

on

Synchro

PAD

CNABBFIIGSynchro

CANFIBB

Syn

chro

IG-1FFTPAD-1

STBC-1

Ent

rela

c. -1

Éta

lem

ent-1

Map.-1

CANFIBBIG-1FFTPAD-1

Estimation du canal

IFFT CSTBC

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 45

L’estimation de canal MIMO (à l’émission)

L’estimation du canal vue précédemment (SISO) n’est plus valable La superposition des pilotes en réception créée de l’interférences entre pilotes

Choix de la séquence pilote Motif pair/impair empêchant la perte d’orthogonalité grâce à l’insertion de pilotes

nuls 2 séquences différentes sur chaque antenne d’émission, de longueur (Nc/2)

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 46

L’estimation de canal MIMO (en réception)

La moitié des sous-porteuses pour chaque coefficient du canal Hij

Interpoler les pilotes manquants (interpolation linéaire, Wiener, …) Une interpolation simple

On suppose le canal constant sur 2 sous-porteuses consécutives Chaque sous-porteuse manquante est la copie de la sous-porteuse précédente

Occupation du designEstimation MIMO (Rx)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

es

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Architecture du bloc d’estimation en réception

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 47

Egalisation de canal MIMO

Egalisation Calcul des coefficients d’égalisation avec la

méthode ZF, appliquée au cas MIMO

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Performances des algorithmes de détection mono-utilisateurs dans un système sur canal de Rayleigh avec Lc = 64 = Nu (Nombre d’utilisateurs actifs) dans les contextes SISO, SIMO,MISO, et MIMO.

Nt Nr

j

kij

kij

H

HkijG

11 1

2

*

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Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

1 dB d’écart@ TEB = 10-3

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 48

Egalisation de canal MIMO

Architecture de l’algorithme de détection ZF MIMO

Multiplieurs (MULT18) Blocs mémoires (BRAM) Division (Slices)

Occupation du designDétection ZF MIMO (Rx)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

es

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

Architecture du bloc de détection ZF MIMO en réception

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 49

La synchronisation trame MIMO

Sur chacune des voies Rx, un début de trame doit être décidé Synchronisation sur les deux voies indépendamment

Choix des séquences 2 SPA à longueur maximale, soit 2 séquences complexes S1 et S2

Différentes sur chaque antenne TX

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 50

La synchronisation trame MIMO

Mise en œuvre 2 blocs de synchronisation SISO

Méthode d’autocorrélation 1 mémoire pour aligner les 2 voies

Synchronisation validée en simulation

Réglage du seuil

Résultats d’implantation de la synchro MIMO

Peu complexe

Occupation du designSynchronisation MIMO (Rx)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

es

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 51

Résultats d’implantation du système MIMO

Résultats d’implantation sur cible Emetteur implanté (68% du FPGA),

notamment grâce au nouveau schéma OFDM-CSTBC

Récepteur trop complexe pour la cible (124%)

Pas d’optimisation en réception, donc 2 FFT

Les blocs d’estimation-égalisation sont complexes

Changer la cible pour permettre la validation du système

Le système MIMO-MC-CDMA proposé a été validé en simulation

Occupation du designEmetteur MIMO

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

esF

lip-F

lop

LU

T4

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

Occupation du designRécepteur MIMO

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Slic

es Flip lu

t

BR

AM

Mu

lt18

Ta

ux

d'o

cc

up

ati

on

Les techniques MIMOProposition d’un système MIMO-MC-CDMALe schéma STBC-OFDM modifiéL’estimation de canal MIMOLa synchronisation trame dans le cas MIMORésultats d’implémentation du système MIMO

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Christophe Le Guellaut – IETR INSAPrototypage d’un système MIMO-MC-CDMA

sur plate-forme hétérogène 52

Les systèmes sans-fil

La plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMA

Étude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 53

Conclusions

Objectifs atteints Finalisation du système SISO

Ajout de la synchronisation trame

Étude algorithmique et implémentation d’un système MIMO-MC-CDMA 2x2

Codage MIMO d’Alamouti

Estimation de canal MIMO / Egalisation

Synchronisation trame MIMO

Un nouveau schéma MIMO-OFDM très économique en terme de ressources

MIMO-OFDM ou MIMO-MC-CDMA avec codage ST

1 seule IFFT quel que soit le nombre d’antennes d’émission

ConclusionsContributionsPerspectives

Les systèmes sans-filLa plate-forme de prototypage SUNDANCE

Le système MC-CDMAÉtude et implémentation du système MIMO-MC-CDMA

Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 54

Conclusions

Objectifs atteints Plusieurs optimisations

Passage en FI optimisé en ressources (filtres polyphases)

Synchronisation par autocorrélation

1 nouvelle application réseau (UDP)

Toute application communiquant par UDP peut s’interfacer avec la plate-forme

Aspects multi-disciplinaires de l’approche plate-forme Communications numériques (système, canal)

Numérique (simulation, implantation sur DSP, FPGA)

Analogique/segment RF (simulation, mesures),

Réseaux (logiciels)

ConclusionsContributionsPerspectives

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Conclusions et perspectives

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sur plate-forme hétérogène 55

Communications internationales

F. Nouvel, A. Massiani et C. Le Guellaut « Rapid Industrial Prototyping Heterogeneous Plate-form : 3G/4G Wireless Systems », Design, Automation, and Test in Europe (DATE’07), (Nice, France), avril 2007.

C. Le Guellaut et F. Nouvel « Design and Implementation of an Optimized MIMO-OFDM System », Proc. IEEE 10th International Symosium on Spread Spectrum Techniques and Applications (ISSSTA’08), (Bologne, Italie), 25—28 août 2008

C. Le Guellaut and F. Nouvel « Efficient Implementation of a MIMO-OFDM Transmitter », Proc. Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS’08), (Grenoble, France), 12—14 novembre 2008.

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Conclusions et perspectives

ConclusionsContributionsPerspectives

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sur plate-forme hétérogène 56

Conclusions et perspectives

Perspectives Système :

Mesures de performances (TEB, effet de la quantification sur le TEB)

Autre forme d’onde

Codeur de canal

Connexion à un canal sans-fil (segment RF non finalisé)

Plate-forme

Évolution nécessaire de la plate-forme (nouveau FPGA, cœur de processeur)

• 1 carte défaillante (CAN)

• FPGA trop « petit » pour implanter un système MIMO

• FPGA bridé (ports SDB non fonctionnels)

S’orienter vers les architectures reconfigurables, la radio-logicielle

Palmyre 2

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Conclusions et perspectives

ConclusionsContributionsPerspectives

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sur plate-forme hétérogène 57

MERCI DE VOTRE ATTENTIONMERCI DE VOTRE ATTENTION

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Conclusions et perspectives