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Syst ` emes MIMO et codage Spatio Temporel Didier Le Ruyet Conservatoire National des Arts et M´ etiers Email [email protected] Cours ELE 203 v2.0 CNAM Cours ELE 203. – p.1/77

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  • Syste`mes MIMO et codage SpatioTemporelDidier Le Ruyet

    Conservatoire National des Arts et MetiersEmail [email protected]

    Cours ELE 203v2.0

    CNAM Cours ELE 203. p.1/77

  • Plan

    Canal radiomobile et diversit

    Systme MIMO

    Capacit et modles de canaux

    Probabilit derreurs et critres de construction

    Codes spatio-temporels en bloc

    Codes en treillis spatio-temporel

    CNAM Cours ELE 203. p.2/77

  • Canal radiomobile

    attnuation proportionnelle 1/d avec compris entre 2.5 et 5

    bruit thermique

    phnomne de masquage ( variation suffisamment lente pour pouvoirtre corrige par un contrle de puissance)multi-trajets engendrant des vanouissements (variation rapide)interfrence entre utilisateurs, cellules, ...

    CNAM Cours ELE 203. p.3/77

  • Modle Bande troiteRponse quivalente en bande de base :

    rb(t) = hb(, t) xb(t)

    =

    Nn=0

    n(t)ejn(t)xb(t n(t))

    avec n(t) = 2pif0n(t) Dnlorsque ltalement temporel est trs infrieur au temps symbole, on a :

    rb(t) =

    Nn=0

    n(t)ejn(t)xb(t)

    CNAM Cours ELE 203. p.4/77

  • Modle Bande troiteUne petite variation du retard entrane une grande variation de la phasedu trajet associeOn peut aussi considrer que les retards comme les phases associs auxN + 1 trajets varient indpendamment et de faon imprvisible. Lesignal reu est donc un processus alatoire.

    Thorme limite centrale : lorsque le nombre de trajets est grand, larponse rb(t) peut tre modlise par un processus complexe gaussien.La distribution du module de rb(t) est une distribution de Rayleigh

    la phase est distribue uniformment sur lintervalle [0, 2pi]

    CNAM Cours ELE 203. p.5/77

  • Distribution de RayleighSoit la variable alatoire R obtenue comme suit:

    R =X21+X2

    2(1)

    Si X1 et X2 sont deux v. a. indpendantes centres gaussiennes et de variance 2, alorsR est une v. a. dont la distribution est de Rayleigh.

    pR(r) =r

    2exp

    ( r

    2

    22

    )(2)

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    r

    p

    R

    (

    r

    )

    CNAM Cours ELE 203. p.6/77

  • Correlation temporelle Lorsque la somme rsultante est nulle ou proche de zro, on dit quil seproduit un vanouissement Les vanouissements sont principalement lis auxvariations des phases

    CNAM Cours ELE 203. p.7/77

  • Canal de Rayleighx

    i

    hi bi

    yi

    Si le canal est non slectif en frquence : yi = hixi + bi ||hi|| = r suit une loi de Rayleigh en absence de trajet direct.

    La phase de hi est distribue uniformment entre [0; 2pi].

    CNAM Cours ELE 203. p.8/77

  • Performance sur canal gaussien

    ni

    xi yi

    bE

    00,2

    NN

    TEB =1

    2erfc

    (deucl

    2N0

    )avec erfc(a) = 2

    pi

    +a

    exp(x2)dx

    =1

    2erfc

    (EbN0

    )

    CNAM Cours ELE 203. p.9/77

  • Performance sur canal de Rayleighx

    i

    hi bi

    yi

    Eb = ||hi||2Eb = r2Eb (3) Le taux derreurs bit sobtient en intgrant sur r :

    TEB =

    +0

    1

    2erfc

    (r2EbN0

    )p(r)dr

    CNAM Cours ELE 203. p.10/77

  • Performance sur canal de Rayleigh Aprs calcul, on obtient :

    TEB =1

    2

    (1

    1 +

    )

    avec le rapport signal bruit moyen :

    = E

    (EbN0

    )= E

    (r2EbN0

    )

    Lorsque est grand en utilisant la relation de Taylor

    1 + = 1 1

    2+O

    (1

    2

    )

    Nous obtenons lapproximation suivante :

    TEB 14 CNAM Cours ELE 203. p.11/77

  • Diversit Plus il y a de branches indpendantes, plus la probabilit dtresimultanment dans un vanouissement diminue :Pour 2 branches :

    Pe 3 1(4)2

    Pour L branches :

    Pe CL2L11

    (4)L

    CNAM Cours ELE 203. p.12/77

  • Diversit temporelle, frquentielle etspatiale

    Il est possible damliorer les performances dun systme en exploitantses diffrentes diversits

    temporelle : le signal est transmis sur plusieurs trames (temps decohrence). Lentrelacement est gnralement utilis cet effet.Possible uniquement sur des canaux variant dans le temps

    frquentielle : le signal est transmis sur plusieurs bandes de frquence(bande de cohrence). Possible uniquement sur les canaux slectifs enfrquence. Exemple de technique utilisant cette diversit :RAKE,OFDM.

    spatiale : en utilisant plusieurs antennes lmission et la rception.Ces antennes doivent tre espaces suffisamment pour quelvanouissement sur chaque antenne soit indpendant (distance decohrence)

    CNAM Cours ELE 203. p.13/77

  • Systme SISO

    TX RX

    h

    h

    x

    n

    y

    SE

    C = log2(1 + ||h||2) en Sh/2Davec = EsN0 .

    Pour le canal de Rayleigh, la capacit est une variable alatoireCNAM Cours ELE 203. p.14/77

  • Systme MISO

    TX RX

    TX 1

    TX Nt

    TX 2

    RX 1

    CNAM Cours ELE 203. p.15/77

  • Systme MISO

    1h

    1x

    n

    yS

    t

    E

    N

    2h

    2x

    Nth

    Ntx

    S

    t

    E

    N

    S

    t

    E

    N

    C = log2(1 +

    Nt

    Nti=1

    ||hi||2)

    CNAM Cours ELE 203. p.16/77

  • Systme SIMO

    TX RX

    TX 1

    RX 1

    RX Nr

    RX 2

    CNAM Cours ELE 203. p.17/77

  • Systme SIMO

    1h

    x

    1n

    1y( )SE2h

    Nrh

    2y

    Nry

    2n

    Nrn

    la capacit est atteinte par combinaison linaire optimale (MRC) : onmultiplie chaque yi par hi

    instant =Es(Nr

    i=1 ||hi||2)2N0(

    Nri=1 ||hi||2)

    =Es(Nr

    i=1 ||hi||2)N0

    =

    Nri=1

    ||hi||2

    C = log2(1 +

    Nri=1

    ||hi||2) CNAM Cours ELE 203. p.18/77

  • Systme MIMO

    codage etmodulation

    c1

    dcodage etdmodulation

    c2

    cNt

    y1

    y2

    yNr

    h11

    hNrNt

    entre binaire sortie binaire

    y = Hc+ n avec H =

    h11 ... h1Nt.

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    hNr1 ... hNrNt

    CNAM Cours ELE 203. p.19/77

  • Capacit des systmes MIMO hypothse : canal connu parfaitement la rception r min(Nt, Nr) est le rang de la matrice de canal H Nt Nr Dcomposition SVD de la matrice H (dimension Nr Nt):

    H = UVH

    Nr Nt Nt Nt Nt Nt

    o U et V sont des matrices unitaires et est la matrice diagonale :

    =

    1

    2

    .

    .

    .

    r

    0

    (4)

    o i (i = 1, ..., r) sont les valeurs propres non nulles de HHH (Nt Nt)CNAM Cours ELE 203. p.20/77

  • Capacit des systmes MIMO

    c y

    n

    H= H U V

    y = UVHc+ n

    CNAM Cours ELE 203. p.21/77

  • Capacit des systmes MIMO

    c UHVy

    n

    y~c~

    prcodage postcodage

    HVUH=

    UHy = UH(UVH)Vc+UHn

    y = c+ n

    o n est encore gaussien avec la mme variance que n.

    Systme quivalent r canaux SISO en parallle dont les puissancessont donnes par les valeurs propres.

    CNAM Cours ELE 203. p.22/77

  • Water filling (cas gnral)hypothse : N canaux gaussiens parallles indpendants

    Es =N

    i=1Esi

    bi : C(0, N0i)

    xN

    bN

    yN

    b1

    x1

    y1

    1No2No

    3No4No

    1Es

    2Es3Es

    4Es

    channel

    energy

    C =

    Ni=1

    log2

    (1 +

    EsiN0i

    ) Esi = N0i si N0i Esi = 0 sinonCNAM Cours ELE 203. p.23/77

  • Capacit des systmes MIMO

    1

    1~c 1

    ~y

    1~n

    r

    rc~

    ry~

    rn~

    N0i =N0i

    C =

    Nti=1

    log2

    (1 +

    EsiN0

    i

    )

    CNAM Cours ELE 203. p.24/77

  • Capacit (suite) Foschini98 Telatar95hypothse : canal inconnu lmission

    la mme nergie Esi = EsNt est applique sur chacune des Nt antennesdmission

    soit = EsNo le rapport signal bruit la rception

    C(,Nt, Nr) =ri=1

    Ci

    =

    ri=1

    log2

    (1 +

    Nti

    )

    = log2 det

    (INr +

    NtHHH

    )(5)

    CNAM Cours ELE 203. p.25/77

  • Capacit ergodique et de coupureLa capacit ergodique sobtient en calculant lesprance sur toutes lesralisations possibles du canal MIMO.

    C(,Nt, Nr) = E

    {log2 det

    (INr +

    NtHHH

    )}(Sh/2D) (6)

    Si la dure du bloc dinformation est limite devant le temps de cohrence ducanal, on utilise la capacit de coupure q% Cout,q. Elle est dfinie comme ledbit dinformation garanti pour (100 q)% des ralisations du canal, i.e,P (C Cout,q) = q%.

    CNAM Cours ELE 203. p.26/77

  • Capacit ergodique C=f(RSB)

    0 5 10 15 20 25 300

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    RSB (dB)

    C

    (

    b

    i

    t

    /

    s

    /

    H

    z

    )

    Capacit ergodique en fonction du RSB

    (1,1) iid(2,2) iid(3,3) iid(4,4) iid(2,2) corr.(3,3) corr.(4,4) corr.

    Les capacits ergodiques pour canaux i.i.d gaussiens et pour canaux de transmission corrls (lienmontant, lmission : distance entre antenne =0.5 , angle de dpart= 20 , la rceptiondistance entre antenne =4.0 , angle darrive= 50 , angle de dispersion azimutal= 5 ).La capacit crot en fonction de min(Nt, Nr) log(SNR)

    CNAM Cours ELE 203. p.27/77

  • Modle de canaux de transmission

    Modle i.i. d. gaussien

    Modle de Kronecker :

    H = R1/2recR1/2tx

    Rtx et Rrec sont respectivement les matrices de corrlation lmission et la rception est une matrice Nr Nt i.i.d. gaussienne

    Modle "trou de serrure"

    CNAM Cours ELE 203. p.28/77

  • Codes spatio temporel en blocOn considre des canaux vanouissement par bloc ( constant pendant Tintervalles de temps lmentaires)Q symbole dinformation S = [s1, s2, ..., sQ]T de dimension Q 1 sontencods par la matrice code C de dimension Nt T :

    C =

    c11 c1T.

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    cNt1 cNtT

    (7)

    Le rendement du code MIMO code est gal RMIMO = Q/T .On a alors la relation suivante :

    Y = HC+N (8)

    o Y et N sont respectivement les matrices de rception et de bruit dedimension Nr T .

    CNAM Cours ELE 203. p.29/77

  • Compromis diversit - rendement Lu03

    Si T Nt alors

    R Nt dt + 1dt diversit lmissionDmonstration : borne de Singleton

    Si T < Nt alors

    R Nt Nt(dt+ 1)T

    CNAM Cours ELE 203. p.30/77

  • Compromis facteur de diversit -facteur de multiplexage Zheng03

    facteur de diversit d = dtNr = limSNR

    logPe(SNR)

    logSNR

    facteur de multiplexage r = limSNR

    R(SNR)

    logSNR

    Si T Nt +Nr 1, on a la relation limite : d = (Nt r)(Nr r)

    Multiplexing gain, r

    D

    i

    v

    e

    r

    s

    i

    t

    y

    g

    a

    i

    n

    ,

    d

    (

    r

    )

    Diversitymultiplexing tradeoff

    (0,NtNr)

    (1,(Nt1)(Nr1))

    (r,(Ntr)(Nrr))

    (min(Nt,Nr),0)

    Multiple antenna channel

    Single antenna channel

    (2,(Nt2)(Nr2))

    (0,1)

    (1,0) CNAM Cours ELE 203. p.31/77

  • Probabilit derreurs par paire Tarokh98 Probabilit derreurs par paire P {C C|H} : probabilit que lercepteur dcode le bloc C alors que le bloc C a t transmis.Soit la matrice de diffrence

    D =

    c11 c11 ... c1T c1Tc21 c21 ... c2T c2T

    . . .

    cNt1 cNt2 ... cNt2 cNt2

    (9)

    Soit la matrice hermitique E = DDH . Il existe une matrice unitaire T et unematrice relle diagonaleU tel que TETH = U. Les lments de la diagonalede U sont les valeurs propres de E, i.e. i; i = 1, 2, .., Nt.

    CNAM Cours ELE 203. p.32/77

  • Probabilit derreurs par paire

    P (C C|H) = 12erfc

    (Es

    4NtN0d2(C,C)

    )

    exp( Es4NtN0

    d2(C,C)

    )

    avec d2(C,C) =

    Nrj=1

    hjDDHhHj =

    Nrj=1

    hjTHUThHj

    =

    Nrj=1

    Nti=1

    i||ij ||2

    o hj = [ hj1 hj2 ... hjNt ] est la j-ime ligne de H. ij est le imelment du vecteur j = hjTH .

    CNAM Cours ELE 203. p.33/77

  • Probabilit derreurs par pairePour calculer P (C C), il faut moyenner sur lensemble des ||ij ||,

    P (C C) E|ij |

    Nrj=1

    Nti=1

    exp

    ( Es4N0

    1

    Nti||ij ||2

    )

    ij sont des variables alatoires complexes gaussiennes centres de variance1/2 par dimension (canal de Rayleigh) :

    P (C C) Nti=1

    (1 +

    Es4N0

    1

    Nti

    )Nr

    Pour les rapports SNR suffisamment levs on obtient

    P (C C) (Es4N0

    1

    Nt

    )rdNr ( rdk=1

    k

    )Nr(10)

    o rd est le rang de la matrice E et k correspond aux valeurs propres nonnulles de la matrice de diffrence D. CNAM Cours ELE 203. p.34/77

  • Critres de construction Objectif : minimiser P {C C} pour toutes les paires possibles. On drive deux critres : le critre de rang et le critre de dterminant Critre du rang: Afin dobtenir le degr maximum de diversit NtNr, lamatrice de diffrence D doit avoir un rang plein pour toutes les pairesdistinctes de mot de code. Si le rang minimum est gal rd, le gain dediversit sera gal rdNr.

    rd = minC 6=C

    rank(CC) (11)

    Critre du dterminant: le termerdk=1

    k reprsente le gain de codage.

    Celui-ci doit tre maximis pour lensemble de toutes les paires de matricescodes C.

    cg = minC 6=C

    ( rdk=1

    k)

    CNAM Cours ELE 203. p.35/77

  • Critres de construction

    SNR

    TEB

    Gain de diversit Gain de codage

    Soit la pseudo distance dg = minC 6=C

    ( Ntk=1

    k)

    Si dg 6= 0, alors le code est diversit maximale et dg est gal au gain decodage

    CNAM Cours ELE 203. p.36/77

  • Code dAlamouti Alamouti98 Pour le cas Nt = 2 et Nr = 1, Alamouti a propos un code spatio-temporelavec Q = T = 2 et donc RMIMO = 1.A linstant 1, les symboles s1 et s2 sont transmis respectivement sur lesantennes 1 et 2 puis linstant 2, les symboles s2 et s1 sont transmis sur lesantennes 1 et 2. Ainsi sous forme matricielle, on a :

    CSTBC,2 =

    s1 s2s2 s

    1

    (12)

    [y11 y12] = [h11 h12]

    s1 s2s2 s

    1

    + [n11 n12]

    Le code prsente la proprit dtre orthogonal car nous avons

    CSTBC,2CHSTBC,2 =

    (||s1||2 + ||s2||2) I2CNAM Cours ELE 203. p.37/77

  • Code dAlamoutiCe systme peut se mettre sous la forme quivalente

    Y = y11y12

    =

    h11 h12h12 h11

    s1s2

    +

    n11n12

    = Hs+N

    Pour ce code, le gain de diversit est gal ||h11||2 + ||h21||2.Comme H est une matrice orthogonale, le dcodage au sens du maximum devraisemblance (MV) sobtient simplement en multipliant le vecteur reu parHH ,

    s = HHY = (||h11||2 + ||h12||2)s+ n

    CNAM Cours ELE 203. p.38/77

  • Code dAlamouti 3 dB de moins que la diversit MRC lmission

    SNR =Es(||h11||2 + ||h12||2)22N0(||h11||2 + ||h12||2) =

    Es(||h11||2 + ||h12||2)2N0

    0 5 10 15 20 25 30106

    105

    104

    103

    102

    101

    100

    U

    n

    c

    o

    d

    e

    d

    B

    E

    R

    Alamouti (M=2,N=1)Alamouti (M=2,N=2)MRC (M=2, N=1) MRC (M=2, N=2)canal de Rayleigh

    CNAM Cours ELE 203. p.39/77

  • Autres codes ST en bloc orthogonaux Le code dAlamouti est le seul code orthogonal complexe permettantdatteindre la diversit maximale avec un rendement gal RMIMO = 1Tarokh99.

    Il existe seulement quelques autres codes orthogonaux complexes ayant unrendement infrieur 1. Par exemple pour Nt = 3, Nr = 1,Q = 3 et T = 4 etdonc RMIMO = 3/4 on a le matrice code suivante:

    CSTBC,3 =

    s1 s2 s3 0

    s2 s1 0 s3s3 0 s1 s2

    (13)

    Comme prcdemment, la structure orthogonale permet de dcodersimplement ce code.

    CNAM Cours ELE 203. p.40/77

  • Codes ST en bloc presque orthogonaux Sous rserve de sacrifier la proprit dorthogonalit, il est possible deconstruire des codes de rendement suprieur ou gal 1.Exemple : Nt = 4 et RMIMO = 1.

    CSTBC,4 =

    s1 s2 s3 s4s2 s1

    s4 s3s3 s4 s1 s2s4 s

    3 s2

    s1

    (14)

    Cette matrice est obtenue partir de deux matrices dAlamouti et dunetransforme de Hadamard. Contrairement aux codes STBC orthogonaux on a :

    HHH =4i=1

    (||h1i||2)I4 + J (15)

    o la matrice J est la matrice dinterfrence CNAM Cours ELE 203. p.41/77

  • Codes ST en bloc presque orthogonaux la matrice de diffrence B nest pas de rang plein pour toutes les paires demot de code. Pour obtenir un rang plein, on applique une rotation sur les symboles s3 ets4 :

    CSTBC,4 =

    s1 s2 s3ejrt s4ejrts2 s1

    s4ejrt s3ejrts3e

    jrt s4ejrt s1 s2s4e

    jrt s3ejrt s2

    s1

    (16)

    CNAM Cours ELE 203. p.42/77

  • Code DAST Damen02 les codes spatio-temporels DAST (Diagonal Algebraic Space Time Block)sont une gnralisation des modulations tournes introduites pour le canal deRayleigh par Boull et Belfiore. Le codage spatio-temporel DAST est un code de rendement RMIMO = 1avec Q = T = Nt construit partir dune matrice de rotation M. La matricecode est de la forme

    C = diag(t1, t2, . . . , tNt) (17)avec t = [t1 t2 . . . tNt ]T = Ms La matrice de rotation M est le produit de la matrice de Fourier FNt dedimension Nt Nt et de la matrice diagonale compose des puissancessuccessives du paramtre de rotation :

    M = FNtdiag[1, , 2, . . . , Nt1

    ] (18)

    CNAM Cours ELE 203. p.43/77

  • Code DAST Les codes DAST atteignent la diversit maximale de NtNr grce lextension de constellation. est choisi afin de maximiser le gain de codage. est dtermin soit par recherche exhaustive ou en utilisant les propritsde la thorie des nombres. Par exemple, pour Nt = T = 2 et une modulationMDP4 des symboles si, on obtient = exp( jpi4 )

    C =

    s1 + s2 exp j pi4 0

    0 s1 s2 exp j pi4

    CNAM Cours ELE 203. p.44/77

  • Codes TAST Damen02 El Gamal 03 Les codes TAST (threaded algebraic space time) sont une gnralisation descodes DAST . Ces codes permettent datteindre le compromis optimal entregain de diversit et de multiplexage. Pour Nt = 2, Nr 2 et un rendementRMIMO = 2, on a la matrice de code suivante :

    C =

    s1 tts2 1/2tt (s3 + tts4)1/2tt (s3 tts4) s1 + tts2

    (19)

    o tt = ejtt et tt est un paramtre rel optimiser pour obtenir le meilleurgain de codage. On a tt = 0.5 pour une modulation MDP4 et tt = 0.448pour une modulation MAQ16. Comme pour les codes non orthogonaux, on peut utiliser un dcodagelinaire (ZF ou MMSE), non linaire (SIC) ou par sphre.

    CNAM Cours ELE 203. p.45/77

  • Performances des codes TAST Comparaison des performances TEM = f(EB/N0) du code dAlamouti(2, 2) avec le code TAST (2, 2) pour un dbit binaire de 4 bits par intervallede temps lmentaire ( MAQ 16 pour le code dAlamouti et MAQ 4 pour lecode TAST).

    5 10 15 20 25

    104

    103

    102

    101

    100Alamouti codeTAST code

    T

    a

    u

    x

    d

    e

    r

    r

    e

    u

    r

    s

    b

    l

    o

    c

    CNAM Cours ELE 203. p.46/77

  • Multiplexage spatial V-BLAST Foschini99

    m

    o

    d

    u

    l

    a

    t

    i

    o

    n

    e

    t

    c

    o

    d

    a

    g

    e

    d

    m

    o

    d

    u

    l

    a

    t

    i

    o

    n

    e

    t

    d

    c

    o

    d

    a

    g

    e

    Exemple :Nt = Nr = N = 2, Q = 2, T = 1 soit RMIMO = 2 :

    CV BLAST,2 =

    s1s2

    Le signal reu scrit alors : y11y21

    = H

    s1s2

    +

    n11n21

    CNAM Cours ELE 203. p.47/77

  • Dcodage linaire Dcodeur par forage zro

    y = H1y

    s = dcision(y)

    Dcodeur MMSE

    y = (HHH+ 2I)1HHy

    s = dcision(y)

    CNAM Cours ELE 203. p.48/77

  • Dcodage par soustraction successivedinterfrence

    1) Dcomposition QR de H = QR o Q est une matrice unitaire et R est unematrice triangulaire suprieure. On calcule ensuite les deux matrices G et L :

    G = diag

    1(R)QH

    L = diag1(R)R IN2) Multiplication du vecteur reu par G :

    y = Gy = diag1(R)Rs+Gn

    3) Estimation successive des symboles sN , sN1, . . . , s1

    CNAM Cours ELE 203. p.49/77

  • Dcodage par soustraction successivedinterfrence

    G +

    L

    +

    Rduction de linterfrence spatiale

    dcodeur

    sN = dcision ((y)N)sN1 = dcision ((y)N1 sNLN1,N).

    .

    .

    s1 = dcision ((y)1 sNL1,N . . . s2L1,2)CNAM Cours ELE 203. p.50/77

  • Dcodage par sphre On utilise la relation relle entre x et y (dimension 2N 1)

    x = argminx||y Bx||2

    avec bij =

  • Dcodage par sphre

    M(x(c)) = y Bx(c)2

    = (x x)TBTB(x x) + yT (I B(BTB)1BT )y= (x x)TRTR(x x) + yT (I B(BTB)1BT )y

    o x = (BTB)1BT y est la solution ZFR = {rij}2N2N est une matrice triangulaire avec BTB = RTR obtenue parfactorisation de Cholesky.

    CNAM Cours ELE 203. p.52/77

  • Calcul de mtrique

    M(x(c)) =2Ni=1

    w(x2Ni ) +M

    o w(x2Ni ) =(qii

    (zi +

    2Nj=i+1

    qijzj

    )2

    zi = xi xi, qii = r2ii, qij =rijrii

    pour j > i

    La mtrique peut tre calcule squentiellement sur un arbre en partant dei = 2N (racine de larbre) jusqu i = 1 comme suit :

    M(x2Ni ) =2Nj=i

    w(x2Nj ) +M(x2N2N+1)

    =M(x2Ni+1) + w(x2Ni )

    avec M(x2N2N+1) =M. CNAM Cours ELE 203. p.53/77

  • Arbre de dcision

    Depth 2N

    Depth 2N-1

    Depth 2N-2

    Initial value

    Partial metric

    Branch metric

    )(' 2 12NNMM += x

    )( 22NNM x

    )( 2 12NNM x

    )( 2 12NNw x

    )( 22NNw x

    CNAM Cours ELE 203. p.54/77

  • Exemple de dcodage par sphre systme SISO : N = 1 => rseau de point 2 dimensions

    Constellation :64-QAM xi {7,5,3,1,+1,+3,+5,+7}

    x = [1,3]T

    B =

    0.5 1

    1 0.5

    v = [0.58,0.31]T

    y = [4.08,0.81]T

    x = [0.984,3.588]T

    Le carr du rayon de la sphre C1 est fix 49 (choisi en fonction de lavariance du bruit)

    CNAM Cours ELE 203. p.55/77

  • Exemple

    x1

    x2

    x1

    x2

    CNAM Cours ELE 203. p.56/77

  • Exemple

    x1

    x2

    CNAM Cours ELE 203. p.57/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    x1

    x2

    CNAM Cours ELE 203. p.58/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    CNAM Cours ELE 203. p.59/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    CNAM Cours ELE 203. p.60/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    CNAM Cours ELE 203. p.61/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    CNAM Cours ELE 203. p.62/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    CNAM Cours ELE 203. p.63/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    CNAM Cours ELE 203. p.64/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    CNAM Cours ELE 203. p.65/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    2.5

    2.5

    x1

    x2

    x2

    x1

    CNAM Cours ELE 203. p.66/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    2.5

    2.5

    x1

    x2

    x2

    x1

    4.9

    7.4

    CNAM Cours ELE 203. p.67/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    2.5

    2.5

    x1

    x2

    x2

    x1

    4.9

    7.4

    CNAM Cours ELE 203. p.68/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    2.5

    2.5

    x1

    x2

    x2

    x1

    4.9

    7.4

    0

    2.5

    CNAM Cours ELE 203. p.69/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    2.5

    2.5

    x1

    x2

    x2

    x1

    4.9

    7.4

    0

    2.5

    CNAM Cours ELE 203. p.70/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    2.5

    2.5

    x1

    x2

    x2

    x1

    4.9

    7.4

    0

    2.5

    CNAM Cours ELE 203. p.71/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    2.5

    2.5

    x1

    x2

    x2

    x1

    4.9

    7.4

    0

    2.5

    0.4

    CNAM Cours ELE 203. p.72/77

  • Exemple

    14.5

    14.5

    19.8

    34.3

    4.9

    19.4

    0

    14.5

    2.5

    2.5

    x1

    x2

    x2

    x1

    4.9

    7.4

    0

    2.5

    0.4

    0

    0.4

    x = [1,3]TCNAM Cours ELE 203. p.73/77

  • Codage en treillis spatio temporel Mme critres de construction que les codes spatio temporel en blocexemple simple :

    tat 0

    tat 1

    tat 2

    tat 3

    00

    010203

    00 01 02 03

    10 11 12 13

    20 21 22 23

    30 31 32 33

    D

    antenne 2

    antenne 1

    01

    2 3

    modulation MDP4

    antenne 1 antenne 2

    Ces codes atteignent le compromis diversit - rendement mais avec unecomplexit exponentielle

    CNAM Cours ELE 203. p.74/77

  • Co

    dage

    STBC

    -O

    FDM

    Dan

    sle

    cas

    du

    nca

    nal

    sle

    ctif

    enfr

    quen

    ce

    do

    nn

    e

    s

    d(n

    )

    . . . . . . . .

    Dmultiplexeur

    TF

    DI

    TF

    DI

    . . . . . . . .

    Multiplexeur

    TF

    D

    TF

    D

    Ajout du

    prfixe cyclique

    Suppression

    du prfixe cyclique

    Ca

    na

    l

    Ajout du

    prfixe cyclique

    Suppression

    du prfixe cyclique

    Conversion

    srie parallle

    Conversion

    srie parallle

    . . . .

    . . . .

    . . . .

    . . . .

    Conversion

    parallle srie

    Conversion

    parallle srie

    espac

    e tem

    ps

    freq

    uen

    ce

    freq

    uen

    ce

    espac

    e tem

    ps

    ST

    BC

    -OF

    DM

    S

    FB

    C-O

    FD

    M

    CNA

    MCo

    urs

    ELE

    203.

    p.

    75/7

    7

  • References[1] Alamouti, S. M. "A simple transmit diversity technique for wireless communications",

    IEEE Journal on Selected Areas on Communication, 16, 14511458, 1998.

    [2] M. O. Damen, K. Abed-Meraim, J. C. Belfiore, Diagonal Algebraic Space Time BlockCodes", IEEE Trans. on Information Theory, vol. IT-48,nr3, pp. 628-636, March 2002.

    [3] M. O. Damen, A. Tewfik, J. C. Belfiore, A construction of a space time code based on thetheory of numbers", IEEE Trans. on Information Theory, vol. IT-48,nr3, pp. 753-760,March 2002.

    [4] H. El Gamal, M. O. Damen, Universal Space Time Coding", IEEE Trans. on InformationTheory, vol. IT-49, pp. 1097-1119, May. 2003.

    [5] Foschini, G. J., & Gans, M. J, "On the limits of wireless communications in fadingenvironment when using multiple antennas", Wireless Personal Communications, 6,311335, 1998.

    [6] Foschini, G. J., Golden, G. D., Valenzuela, R. A., & Wolniansky, "Simplified processing forhigh spectral efficiency wireless communication employing multi-element arrays", IEEEJournal on Selected Areas on Communications, 17, 18411852, 1999.

    [7] Jafarkhani, H, "A quasi-orthogonal space-time block code", IEEE Transaction onCommunication, 49, 14, 2000. CNAM Cours ELE 203. p.76/77

  • References[1] H. F. Lu,P. V. Kumar, "Rate-diversity tradeoff of space time codes with fixed alphabet and

    optimal constructions for PSK modulation", IEEE Transaction on Information Theory, 49,27472751, oct 2003.

    [2] Tarokh, V., Jafarkhani, H., & Calderbank, A, "Space-time block codes from orthogonaldesigns", IEEE Transaction on Information Theory, 45, 14561467, 1999.

    [3] Tarokh, V., Seshadri, N., & Calderbank, A. R, "Space-time codes for high data rate wirelesscommunication: Performance criterion and code construction", IEEE Transaction onInformation Theory, 44, 744765, 1998.

    [4] Telatar, E, "Capacity of multiple antenna Gaussian channels", AT&T Bell Laboratories,Technical Report 1995.

    [5] L Zheng and D. N. C. Tse, "Diversity and multiplexing: a fondamental tradeoff in multipleantenna channels", IEEE Transaction on Information Theory, 49, 10731096, may 2003.

    CNAM Cours ELE 203. p.77/77

    large Planlarge Canal radiomobilelarge Modle Bande troitelarge Modle Bande troitelarge Distribution de Rayleighlarge Correlation temporellelarge Canal de Rayleighlarge Performance sur canal gaussienlarge Performance sur canal de Rayleighlarge Performance sur canal de Rayleighlarge Diversitlarge Diversit temporelle, frquentielle et spatialelarge Systme SISOlarge Systme MISOlarge Systme MISOlarge Systme SIMOlarge Systme SIMOlarge Systme MIMOlarge Capacit des systmes MIMOlarge Capacit des systmes MIMOlarge Capacit des systmes MIMOlarge Water filling (cas gnral)

    large Capacit des systmes MIMOlarge Capacit (suite){ed {iny Foschini98}} {ed {iny Telatar95}}large Capacit ergodique et de coupurelarge Capacit ergodique C=f(RSB)large Modle de canaux de transmissionlarge Codes spatio temporel en bloclarge Compromis diversit - rendement {ed { iny Lu03}} large Compromis facteur de diversit -\ facteur de multiplexage {ed { iny Zheng03}}large Probabilit d'erreurs par paire {ed { iny Tarokh98} }large Probabilit d'erreurs par paire large Probabilit d'erreurs par paire large Critres de constructionlarge Critres de construction large Code d'Alamouti {ed { iny Alamouti98}} large Code d'Alamouti large Code d'Alamoutilarge Autres codes ST en bloc orthogonauxlarge Codes ST en bloc presque orthogonauxlarge Codes ST en bloc presque orthogonaux large Code DAST {ed { iny Damen02}} large Code DAST large Codes TAST {ed { iny Damen02 El Gamal 03}}large Performances des codes TASTlarge Multiplexage spatial V-BLAST {ed { iny Foschini99}}large Dcodage linairelarge Dcodage par soustraction successive d'interfrencelarge Dcodage par soustraction successive d'interfrencelarge Dcodage par sphrelarge Dcodage par sphrelarge Calcul de mtriquelarge Arbre de dcisionlarge Exemple de dcodage par sphrelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemplelarge Exemple large Codage en treillis spatio temporel large Codage STBC-OFDM large large