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7/30/2019 Formation de voies en transmission dans un systme de communications sans-fil
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Formation de voies en transmission
dans un systme de communications
sans-fil IEEE 802.11n
Michel Thriault
Directeur
Sbastien RoyUniversit Laval
Directeur Olivier Sentieys
Universit de Rennes 1
19 juin 2009Sminaire au vert
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Plan de la prsentation
Introduction Contexte gnral et problmatique Objectifs du projet de recherche
Notions de base
MIMO OFDM MIMO-OFDM et Standard 802.11n
Formation de voies en transmission
Utilisant le DOA Utilisant la matrice canal Avec rtroaction
Transmetteur
Conclusion
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Contexte gnral
Afin de rpondre aux demandes croissantes, lesnouveaux systmes de communicationncessitent: De plus hauts taux de transmission
Une meilleure efficacit spectrale
Une plus grande porte
En combinant la technique MIMO et la technique
OFDM il est possible de sapprocher de ces buts
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Problmatique
Lestimation du canal avant dans les systme MIMOest une opration complexe, mais ncessaire afindavoir une capacit similaire en aval et en amont
dun systme de communications
La connaissance du canal avant permet deffectuerla formation de voies en transmission (transmitbeamforming) afin de Maximiser la puissance des signaux reus par chaque
usager Minimiser linterfrence perue par chaque usager
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Plan de la prsentation
Introduction Notions de base
MIMO
OFDM
MIMO-OFDM et Standard 802.11n
Formation de voie en transmission
Transmetteur
Conclusion
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MIMO
TX 1
TX 2
TX MT
RX 1
RX 2
RX MR
111
2 22
1
2
2
2
1
1
T
RR
T
R TM MM
M
M
M
h
h
h
h
h
h
h
h
h
H
H
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MIMO
Antennes multiples en transmission et en rception Les donnes sont transmises sur des antennes de
transmission multiples la mme frquence porteuse
Grce aux parcours multiples, chaque antenne derception reoit une combinaison diffrente dessymboles transmis
Si les combinaisons de symboles reus sontsuffisamment diffrentes, on peut diffrencier les flotsde donnes et augmenter la capacit du systme
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Avantages du MIMO
Augmente le taux de transmission de donnesgrce une grande efficacit spectrale
Exploite les parcours multiples
Permet une plus grande porte dmission Augmente la fiabilit
Naffecte pas lutilisation du spectre de
frquences
Attnue les effets de linterfrence
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OFDM
La modulation OFDM (multiplexage par rpartitionorthogonale de la frquence) est une technique quidivise la bande de frquence en Nsous-canaux(ou sous-porteuses) orthogonaux et uniformes
Frquence
Canal
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OFDM
Domaine temporel Domaine frquentiel
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Avantages de lOFDM
La diminution des taux de transmission et lajout deprfixes cycliques permet dliminer ou de limiter
linterfrence intersymboles et de simplifier
lgalisation au rcepteur
Les effets des parcours multiples d auxvanouissements slectifs en frquence sont rduitsen divisant le spectre en Nsous-porteuses ayant desvanouissements plats
Le chevauchement en frquence des sous-porteusespermet de conserver une grande efficacit spectrale
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MIMO-OFDM
Les techniques MIMO et OFDM procurent desavantages complmentaires et peuvent treregroupes de manire naturelle pour former leMIMO-OFDM
Le standard 802.11n prsente une structure debase idale, tant donn les caractristiques dusystme tudi
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Standard 802.11n
5 m
1 Mbps 10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps
Taux de transmission maximum100 kbps
50 m
500 m
Por
te
1GWLAN
802.11
1-2 Mbps
3GWLAN
802.11a/g
6-54 Mbps
2GWLAN
802.11b
5.5-11 Mbps
4GWLAN
802.11n
> 100 Mbps
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Plan de la prsentation
Introduction Notions de base
Formation de voies en transmission
Utilisant le DOA
Utilisant la matrice canal
Avec rtroaction
Transmetteur
Conclusion
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Formation de voies en transmission
La formation de voies en transmission est uneapproche par pr-filtrage spatial qui permet unetransmission slective dans lespace en utilisant une
connaissance instantane ou long terme du canal
Dans les communications sans-fil, on lutilisegnralement pour: Augmenter la puissance du signal reu par un usager
Diminuer linterfrence perue par les autres usagers
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Formation de voies en transmission
Elle consiste pondrer le signal transmis parchaque antenne afin dorienter le signal global du
rseau dantenne
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Formation de voies utilisant le DOA
Sous certaines conditions, il est possible dutiliser ladirection darrive (DOA) des signaux au transmetteur Pour ce faire on utilise la notion de vecteur directionnel,
qui est une fonction de langle darrive et de laconfiguration du rseau dantennes
Pour un rseau linaire uniforme (ULA), par exemple, levecteur directionnel est donn par:
2 cos 2 1cos
1
s sT
C C
d dj j M
e e
a
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DOAFaible talement angulaire
Si ltalement angulaire est faible, on peut utiliser leDOA moyen dun usager pour reprsenter sadirection darrive
Si on ne tient compte que de lusager dsir, on
peut utiliser la formation de voie conventionnelle, quiforme directement les poids partir du vecteurdirectionnel
Si on dsire aussi minimiser linterfrence peruepar les autres usagers, on peut utiliser lapproche
MVDR, qui utilise une matrice de covariancespatiale pour reprsenter les directionsdinterfrence, en plus du vecteur directionnel
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DOAFaible talement angulaire
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DOALarge talement angulaire
Pour un large talement angulaire, les diffrentsparcours ne peuvent pas tre regroups dans leDOA moyen
On doit alors utiliser les matrices de covariancespatiale des diffrents usagers
Puisque cette matrice ncessite une connaissancedu canal, une boucle de rtroaction est ncessairepour effectuer la formation de voies dans cettesituation
Lapproche par DOA napporte donc pas vraimentdavantages sur une approche utilisant laconnaissance du canal dans ce cas
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Formation de voies en transmission
laide de la matrice canal
partir de cette dcomposition, on peut valuer les poidspour la formation de voies par vecteurs propres(eigenbeamforming)
La matrice U, qui contient les vecteurs propres de la matrice
H, peut tre directement utilise pour effectuer le pr-filtragespatial Cette technique ncessite une connaissance complte du
canal au transmetteur
Soit la matrice canal H de dimensions MTx MR On peut effectuer une dcomposition en valeurs singulire de
cette matrice pour obtenir:
H=UDVH
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Formation de voies avec rtroaction
Linformation sur le canal nest gnralement pasdisponible au transmetteur
La rtroaction permet de transmettre lestim du
canal effectu par le rcepteur au transmetteur
Linformation sur le canal obtenue par rtroaction esttoutefois partielle et imparfaite. Elle est soumise des dlais de rtroaction
des erreurs de rtroaction
des erreurs destimation
F i d i
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Formation de voies par
rtroaction implicite
Si le canal est rciproque, on peut utiliserlestimation du canal obtenu par la liaison
descendantepour effectuer la formation devoies de la liaison montante
On peut donc valuer les poids directement autransmetteur sans rtroaction depuis lercepteur
Il faut tout de mme effectuer une tape decalibration
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Calibration
KA
ATX
HAB
BRX
ARX
HBA
BTX
KB
STA B
STA A
HBA
~
HAB
~
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Calibration
HAB
=HBA
T
HAB H
BA
T
HABKA=[HBKB]
T
Mme sil y a rciprocit dans le canal de transmission, cetterciprocit nest plus applicable si on tiens compte des
chanes de transmission et de rception
Il faut donc calibrer les transmetteurs en valuant KA et KB.
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Calibration
Transmettre un signal sonde de A vers B afindvaluer
Transmettre un signal sonde de B vers A afindvaluer
Transmettre les canaux estims de A vers B et deB vers A
Utiliser les estims locaux et les estims reuspour valuerK
A
et KB
HAB
HBA
F i d i
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Formation de voies par
rtroaction explicite
Sil ny a pas de rciprocit dans le canal, il fauteffectuer une rtroaction explicite Dans ce cas, le rcepteur doit retourner de
linformation sur le canal au transmetteur
On utilise gnralement les mthodes suivantespour retourner linformation: Transmission de la matrice canal au complet (ou dune
version quantifie de cette matrice) Transmission du vecteur de poids valus par le rcepteur Transmission du numro du vecteur de poids choisi par le
rcepteur dans un codebook connu du rcepteur et dutransmetteur
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Rtroaction de la matrice canal
Cette mthode ncessite la rtroaction la plus lourde Elle affecte plus la capacit globale du systme
Le dlai entre les rtroactions est plus grand, ce qui nuit loptimalit de la formation de voies
Elle offre plus de flexibilit au transmetteur Il peut, par exemple, mettre en commun linformation de
tous les usagers pour optimiser ses diagrammes derayonnement
La quantification permet de rduire limportance de lartroaction
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Rtroaction du vecteur de poids
Puisque le rcepteur possde un estim de lamatrice canal, il peut directement calculer les poidsqui seront utiliss par le transmetteur pour laformation de voies
Ces vecteurs de poids sont plus petits que lesmatrices canal (MT x 1 au lieu de MT x MR)
Le rcepteur ne connat pas linformation de tous les
usagers, il ne peut donc quoptimiser le signal qui lui
est transmis sans considrer linterfrence
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Rtroaction laide dun codebook
Si on gnre au pralable une liste (un codebook )de vecteur de poids connue du transmetteur et durcepteur, ce dernier peut choisir le meilleur vecteurdans cette liste
La rtroaction se limite donc quelques bits, soit lenumro du vecteur dans la liste
Cette technique permet aussi de remplacer uneopration complexe comme la SVD par une simpleslection parforce brute
Encore une fois cette technique permet uniquementdoptimiser le choix pour un usager
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Plan de la prsentation
Introduction Notions de base
Formation de voies en transmission
Transmetteur
Conclusion
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Transmetteur
Prfixe
cyclique
Prfixe
cyclique
1
MT
P/SIFFT 1
1
N
Donnes de
la sous-
porteuse 1
Donnes de
la sous-
porteuse N
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Transmetteur
Prfixe
cyclique
Prfixecyclique
1
MT
P/SIFFT 1
1
N
Donnes de
la sous-
porteuse 1
Donnes de
la sous-
porteuse N
Formation
de voies
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Transmetteur
Formation
de voies
w1 IFFT 1 P/S
Prfixe
cyclique
IFFT MT P/S
Prfixe
cycliqueFormation
de voies
wN
MT
MT
1
1
1
N
1
N
MT
1
Donnes de
la sous-porteuse 1
Donnes de
la sous-
porteuse N
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Conclusion
Lutilisation de la formation de voies en transmissiondans un systme MIMO-OFDM peut apporter desgains de performance intressant si on peut attnuerle problme de lestimation du canal avant
Lestimation du canal au niveau du rcepteur est une
tape trs utile, mme sans rtroaction Il existe plusieurs mthodes permettant de rduire
limpact de la rtroaction sur la capacit du systme
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Questions ?