Matthieu GAUTIER – MIMO 1
TECHNIQUES MIMO TECHNIQUES MIMO
Matthieu GAUTIER – MIMO 2
Plan du CoursPlan du Cours
♦ Introduction
♦ Partie I : Antennes compactes
♦ Partie II : Antennes larges bandes
♦ Partie III : Antennes à polarisation circulaire
♦ Partie IV : Antennes grand gain
♦ Partie V : Formation de faisceau
♦ Partie VI : Antennes intelligentes
♦ Partie VII : MIMO
Matthieu GAUTIER – MIMO 3
Introduction
La technique MIMOPrincipeCapacitéCodage
Les récepteurs multi-voiesStructure à multiplexage par codeStructure à superposition des spectres
Plan de la prPlan de la pr éésentationsentation
Matthieu GAUTIER – MIMO 4
IntroductionIntroduction
Futurs systèmes de télécommunications Toujours plus de débit pour toujours plus de mobilité
Matthieu GAUTIER – MIMO 5
Principes de diversité :
Revenons un peu sur les degrés de libertés d’un signal... Il y a quatre domaines principaux de diversités possibles :
� temporelle
� fréquentielle
� polarisation
� spatiale
Ces domaines correspondent aux grandeurs variables sur le canal de transmission.
IntroductionIntroduction
Matthieu GAUTIER – MIMO 6
Emetteur Récepteur
Canal
T
T + ∆t
T + 2∆tDiversité temporelle :
Diversité fréquentielle :
Diversité de polarisation :
IntroductionIntroduction
Matthieu GAUTIER – MIMO 7
L’utilisation de 2 antennes espacées permet de limiter les affaiblissements dûs aux trajets multiples
Diversité spatiale :
IntroductionIntroduction
Matthieu GAUTIER – MIMO 8
Les principales techniques :
• SISO : Single Input Single Output– Pas intéressante
• SIMO : Single Input Multiple Output– La plus mature– Implémentation
• MISO : Multiple Input Multiple Output– Formation de faisceau, – Diversité, codage
• MIMO : Multiple Input Multiple Output – MISO – Transmission sur plusieurs canaux
Tx
…
RxCanal
Tx
…
RxCanal
Tx
…
RxCanal
…
Tx RxCanal
IntroductionIntroduction
Matthieu GAUTIER – MIMO 9
1. LA TECHNIQUE MIMO1. LA TECHNIQUE MIMO
Matthieu GAUTIER – MIMO 10
Quand on utilise plusieurs antennes à l’émission, chacune devient une source d’information différente pour les antennes de réception
On augmente encore la diversité
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.1 Principe
La technique MIMO :
Matthieu GAUTIER – MIMO 11
On divise l’information en autant de flux que d’antennes d’émission
Augmentation du débit proportionnelle au nombre d’antennes d’émission
Décodage spatio-temporel en réception (il faut au moins autant d’antennes)
Multiplexage spatial :
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.1 Principe
Matthieu GAUTIER – MIMO 12
La facilité de décodage de l’information va dépendre de l’inversibilité de la matrice
signal envoyé signal reçu signal décodé
Inversion de matrice :
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.1 Principe
Matthieu GAUTIER – MIMO 13
rang 1 (non inversible !)
Il faut donc soit un espacement important entre les antennes, soit un maximum de trajets multiples (parfait en indoor)
Matrice inversible :La facilité d’inversion de la matrice va dépendre de la corrélation entre les signaux reçus :- dépend de la distance entre les antennes,- de l’étalement angulaire des signaux.
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.1 Principe
Matthieu GAUTIER – MIMO 14
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.2 Capacité
Définition de la capacité d’un canal :
� La capacité d'un canal est la quantité maximale d'information pouvant transiter à travers le canal par unité de temps.
� C'est le maximum de l'information mutuelle moyenne entre l'entrée X et la sortie Y du canal :
( )YXICxp
;max)(
=
Matthieu GAUTIER – MIMO 15
Ty P xh n= +
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.2 Capacité
Capacité d’un canal SISO :
• h : gain complexe du canal– Non sélectif en fréquence (1 coefficient)
– Sélectivité temporelle :• h est indépendant du temps => non sélectif en temps,
• h change d'un symbole à l'autre,
• h varie lentement dans le temps – Constant sur une longue durée.
• Si ρ est le rapport signal à bruit moyen à la réception :
• Capacité d'un système SISO sans CSI à l'émission :
Ty P xh n= +
x
h n
y
( ) ( )2
2
2 21
TT
P E h PSsi E h
Bρ ρ
σ σ= = = =
( )2
2log 1 / /C h bits s Hzρ= +
Matthieu GAUTIER – MIMO 16
TP
M
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.2 Capacité
Capacité d’un canal MISO :
( )2
2 2
Ti
i T
PE h
PMρσ σ
= =∑
1x
1h ny
2x
2h
Mx
Mh
…
TP
M
2
21
log 1 / /M
ii
C h bits s HzM
ρ=
= +
∑
• Pour comparer les performances, on travaille àpuissance émise totale constante.
Puissance émise sur chaque antenne :
• Rapport signal à bruit moyen à la réception :
Matthieu GAUTIER – MIMO 17
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.2 Capacité
Capacité d’un canal SIMO :
2
21
log 1 / /N
ii
C h bits s Hzρ=
= +
∑
x1h 1n
1y
2n
Nn
2y
Ny
…
2h
Nh
…
( )2
2 2
T iT
ii i
P E h Pρσ σ
= =
Croît de façon logarithmique avec le nombre d'antennes àla réception
Matthieu GAUTIER – MIMO 18
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.3 Capacité MIMO
Capacité d’un canal MIMO :
• MIMO : N émetteurs et M récepteurs• hij est le gain complexe du canal entre la jème antenne émettrice et la ième antenne réceptrice – Canal non sélectif en fréquence
Matthieu GAUTIER – MIMO 19
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.3 Capacité MIMO
Capacité d’un canal MIMO :
• Avec et
• Décomposition en valeurs singulières de H :
• U et V sont unitaires :
• D est une matrice diagonale dont les éléments non nuls sont les valeurs propres de H :
y Hx n= +[ ]1
T
Nx x x= K [ ]1
T
My y y= K
{ { { {( )min ,H
M N m mM m m N
H U D V m M N× ×× ×
= =
( )iD diag λ=
x
n
yHH UDV=
Matthieu GAUTIER – MIMO 20
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.3 Capacité MIMO
Canaux virtuel :
• Objectif : "la sortie" du système doit être reliée à "l'entrée" par une matrice diagonale• Idée : Appliquer un pré-traitement linéaire aux données àtransmettre et un post-traitement au signal reçu.
Dx%
n%
y%m canaux indépendants
Matthieu GAUTIER – MIMO 21
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.3 Capacité MIMO
Canaux du canal MIMO :
• La capacité d'un sous-canal (puissance émise PT/N) :
• La capacité d'un système MIMO tel que le précédent :
• On écrit généralement cette capacité ainsi :
2
2log 1i iCN
ρ λ = +
1
2
21
log 1
m
ii
m
ii
C C si m canaux indépendants
CN
ρ λ
=
=
=
= +
∑
∑
2log det H
MC I H H
N
ρ = +
Croissance linéaire correspondant à
Matthieu GAUTIER – MIMO 22
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.3 Capacité MIMO
Connaissance du canal à l’émission :
La connaissance du canal en réception est aisée si on dispose d’une séquence d’apprentissage, mais la connaissance à l’émission est plus complexe (nécessité d’un feedback).
2log det H
MC I H H
N
ρ = +
• Cas avec connaissance du canal (CSI)Cas avec connaissance du canal (CSI) :on peut allouer la puissance de manière optimale
aux différents émetteurs (stratégie WATERFILLING)
• Cas sans connaissance du canal (no CSI)Cas sans connaissance du canal (no CSI) :même puissance allouée aux différents émetteurs (stratégie BLAST)
Matthieu GAUTIER – MIMO 23
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.3 Capacité MIMO
Illustration du Water-filling :
• Attribution d'un tube inversement proportionnelle à la valeur singulière du mode.
• Cas particulier : Si une valeur singulière est très nettement supérieure aux autres, de quoi s'agît-il ?• Réponse : Beamforming
Matthieu GAUTIER – MIMO 24
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.3 Capacité MIMO
Capacité théorique :
Matthieu GAUTIER – MIMO 25
Modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Le principe du codage spatio-temporel est d’émettre des symboles différents sur chacune des antennes d’émission.
On peut alors choisir soit d’utiliser les sous-canaux pour augmenter le débit, soit pour améliorer la robustesse du lien.
Codage spatio-temporel :
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.4 Codage spatio-temporel
Matthieu GAUTIER – MIMO 26
Hypothèses :• Le canal spatio-temporel est composé de MxN sous-canaux variant temporellement lentement• Chaque sous-canal est un canal de Rayleigh• Les évanouissement des sous-canaux sont indépendants• Les coefficients du canal sont parfaitement estimés
Considérations temporelles :On considère l’analyse du signal sur un bloc de T instants.
On suppose que les coefficients du canal sont constants sur la durée d’une trame de T instants et indépendants d’une trame à l’autre.
Codage en treillis ou codage en bloc
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.4 Codage spatio-temporel
Matthieu GAUTIER – MIMO 27
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.4 Codage spatio-temporel
Codage spatio-temporel en bloc STBC :� Q symboles sont regroupés avant codage et transmis simultanément sur les antennes d’émission puis retransmis différemment aux T instants suivants.
� Un exemple : le codage Alamouti N=2 M=1
• On encode Q=2 symboles pendant un temps T=2 instants élémentaires,• Rendements d'un code: R=Q/T ici 1,• Code orthogonal.
Matthieu GAUTIER – MIMO 28
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.4 Codage spatio-temporel
Codage Alamouti :
� Signal reçu à l'instant 1 :
� Signal reçu à l'instant 2 :
� Ecriture en bloc :
Orthogonalité du code On peut sommer les capacité de chacun des canaux.
1 1 1 2 2 1y h x h x n= + +
* *2 1 2 2 1 2y h x h x n= − + +
1 1 2 1 1* *
2 2 1 2 2
y x x h n
y x x h n
Y X H N
= + −
= +
Matthieu GAUTIER – MIMO 29
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.4 Codage spatio-temporel
1 1 2 1 1* *
2 2 1 2 2
y x x h n
y x x h n
Y X H N
= + −
= +
Codage Alamouti :
� Ecriture en bloc :
� Modèle équivalent :
� On a bien :
Le décodage d'un tel schéma se fait en appliquant le traitement linéaire au vecteur reçu y.
( )2 2
1 2HH H h h I= +
1 1 2 1 1* * * *2 2 1 2 2
y h h x n
y h h x n
Y H X N
= + −
= +) )
HH
Matthieu GAUTIER – MIMO 30
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.4 Codage spatio-temporel
Codage Alamouti :� Décodage :
� Complexité linéaire du récepteur� Critère du rang pleinement satisfait� Rendement maximal :
Le code d'Alamouti permet d'atteindre la capacité du canal pour un système 2×1, mais ce n'est plus vrai pour des systèmes d'ordre supérieur [Hassibi 2002]
Matthieu GAUTIER – MIMO 31
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.4 Codage spatio-temporel
Codage spatio-temporel en treillis :� Même principe que du Viterbi, mais réparti sur les différentes antennes (décodage par maximum de vraisemblance).
� Exemple d'allocation des symboles :
• Signal sur l'antenne 1 = signal sur l'antenne 2 retardé d'un symbole => Diversité de délai (canal variant dans le temps)
Complexité de décodage à croissance exponentielle en fonction du nombre d’antennes
Matthieu GAUTIER – MIMO 32
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.4 Technique de réception
Technique de réception :
� Dépendent très fortement de la technique de communication mise en œuvre.
� Réception code Espace-temps (bloc, treillis…) => récepteur propre.
� Réception simultanée de plusieurs flux d'information indépendant :
- ZF (Zero Forcing) : cherche uniquement à supprimer la contribution des autres émetteurs (peu performant).
- MMSE : diminue l’influence du bruit et des interférents, mais ne sépare pas complètement les sous canaux.
- V-BLAST : décode d’abord l’information du signal le plus fort, puis retranche sa contribution aux autres signaux reçus, ainsi de suite...Très performant (sauf propagation d’erreur de décision).
- Autres techniques plus « lourdes » : Maximum de vraisemblance, décodage par sphères généralisé.
Matthieu GAUTIER – MIMO 33
1. La technique MIMO1. La technique MIMO1.5 Autres études
Autres aspects importants à prendre en compte :
� Modélisation du canal de propagation MIMO� Estimation du canal MIMO� Architecture matérielle :
- Intégration des antennes, impact du couplage- Chaîne RF
Matthieu GAUTIER – MIMO 34
2. LES RECEPTEURS 2. LES RECEPTEURS MULTIMULTI--VOIESVOIES
Matthieu GAUTIER – MIMO 35
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.1 Problématique
Partie analogique (Front-end) :
Signal bande de base - DAC
Passage en RF Modulateur IQ
Amplification et filtrage Power Amplifier
Atténuation - Canal hertzien
Filtrage et amplification Filtre RF et LNA
Translation en fréquence Filtre et mélangeurs en
quadrature
Signal réception
Signal émission
Matthieu GAUTIER – MIMO 36
• Architecture homodyne
– Complexité réduite– Faible consommation
– Tension DC-Offset – tension continue parasite
– Contraintes sur le traitement bande de base et sur le déséquilibre des voies I/Q
Avantages
Inconvénients
• Architecture hétérodyne
– Bonne sélectivité, sensibilité -Répartition du filtrage et du gain le long de la chaîne
– Complexité plus grande due au nombre de composants
– Atténuation de la fréquence image
Etat de l'art – Type d'Architecture :
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.1 Problématique
Matthieu GAUTIER – MIMO 37
Etat de l'art – Récepteurs multi-voies :� Empilement de frontaux radiofréquence :
Autant de frontaux que de voies.
Mauvais compromis : performances – consommation - complexité
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.1 Problématique
Matthieu GAUTIER – MIMO 38
Proposition d’étude :
Idée : - Utilisation d’une seule chaîne commune - Mutualiser les éléments
rN(t)
r1(t)
Front-endIN(t),QN(t)
I1(t),Q1(t)
Front-End 1
Front-End NrN(t)
r1(t)I1(t),Q1(t)
IN(t),QN(t)
Demulti-plexage
Multi-plexage
Multiplexage des voies
Application 1 : récepteurs multi-antennesApplication 2 : récepteurs multi-standards
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.1 Problématique
Matthieu GAUTIER – MIMO 39
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.2 Récepteurs multi-antennes
Utilisation du multiplexage :
� Principe :
� Application aux récepteurs radio :- Temps : Utilisation d’un commutateur rapide- Fréquence- Code
Multiplexagepar code
Multiplexagetemporel
Multiplexagefrequentiel
temps
temps
temps
frequences frequences frequences
r1
r2
rN
r1r2
r1 r2 rN
rN
Matthieu GAUTIER – MIMO 40
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs
Architecture du récepteur utilisant le multiplexage :� Utilisation de l’étalement de spectre
2.2 Récepteurs multi-antennes
ADC
ADC
π2
Demodulateur I/Q
c1(t)
rN (t)
r1(t)
cN (t)
LNA
LNAQ
IRF
ChannelsFilter
RFChannels
Filter
OLfO
Ts Ts
Tc
Ts =NTc
Matthieu GAUTIER – MIMO 41
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs
Illustration du multiplexage :
2.2 Récepteurs multi-antennes
Matthieu GAUTIER – MIMO 42
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs
Architecture finale :
2.2 Récepteurs multi-standards
ADC
ADC
π2
Demodulateur I/Q
OLf0
d1(t)
d2(t)
d3(t)
d4(t)
Q[n]
c∗2[n]
c∗1[n] ↓N Q1[k]
Q2[k]
Q3[k]
Q4[k]c∗4[n]
c∗3[n] ↓N
↓N
↓N
I4[k]
I3[k]
I2[k]
I1[k]↓N
↓N
↓N
↓Nc∗4[n]
c∗3[n]
c∗2[n]
c∗1[n]
I[n]d(t)
Etalement de spectreFiltres adaptes
r1(t)
r2(t)
r3(t)
r4(t)
cper1(t)
cper2(t)
cper3(t)
cper4(t)
Matthieu GAUTIER – MIMO 43
ADC
ADC
π2
r1(t)LNA
LNA
RFChannelsFilter
RF
ChannelsFilter
r2(t)
I1[n]
Q1[n]
ADC
ADC
π2
Q2[n]
I2[n]
f
fOL1
OL2
La réception multi-standards :
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.3 Récepteurs multi-standards
Matthieu GAUTIER – MIMO 44
π2
r1(t)LNA
LNA
RFChannelsFilter
RF
ChannelsFilter
r2(t)
ADC
ADC
π2
I[n]
Q[n]f
OL1
OL2
Multiplexage des voies :
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.3 Récepteurs multi-standards
Matthieu GAUTIER – MIMO 45
- Structure Double IQ -
π2
r1(t)
r2(t) π2
π2
π2
I(t)
Q(t)
II(t)
IQ(t)
QQ(t)
QI(t)
∆f
f
f f
f
f
OL1
OL2
Technique de superposition des spectres :
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.3 Récepteurs multi-standards
I1(f) I2(f)
Q1(f) Q2(f)
Matthieu GAUTIER – MIMO 46
- Structure Double IQ -
π2
r1(t)
r2(t) π2
π2
π2
I(t)
Q(t)
II(t)
IQ(t)
QQ(t)
QI(t)
∆f
OL1
OL2
f f
f f
f f
Technique de superposition des spectres :
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.3 Récepteurs multi-standards
Q (f)I(f)
II(f)
IQ(f)
QI (f)
QQ(f)
Matthieu GAUTIER – MIMO 47
- Recombinaison -
Technique de superposition des spectres :
π2
r1(t)
r2(t) π2
π2
π2
I(t)
Q(t)
II(t)
IQ(t)
QQ(t)
QI(t)
∆f
OL1
OL2
f f
f f
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.3 Récepteurs multi-standards
ff
II(f)
IQ(f)
QI(f)
QQ(f)
[II(f)+QQ(f)] + j [QI(f)-IQ(f)] [II(f)-QQ(f)] + j [QI(f)+IQ(f)]
Recombinaison :
Matthieu GAUTIER – MIMO 48
Architecture finale :
2. Les r2. Les r éécepteurs multicepteurs multi --capteurscapteurs2.3 Récepteurs multi-standards
π2
r1(t)LNA
LNA
RFChannelsFilter
RF
ChannelsFilter
r2(t)
ADC
ADC
π2
OL1
OL2
π2
π2
∆f
Q1[n]
Q2[n]
I2[n]
I1[n]
DSP
Matthieu GAUTIER – MIMO 49
2. La technique MIMO2. La technique MIMO2.4 Conclusion
� Architecture 1 – Multiplexage par code :- Complexité réduite : Utilisation de 2 convertisseurs,- Ne dépend pas du nombre d’antennes.
� Architecture 2 – Superposition de spectres :- Limitée à 2 antennes,- Bande passante à numériser réduite,- Nombre de convertisseur réduit.
Matthieu GAUTIER – MIMO 50
ConclusionConclusion
� Gain MISO- Gain de diversité à l'émission- Gain de formation de voie- Gain de capacité multi-utilisateurs
� Gain SIMO- Gain de puissance (array gain)- Gain de diversité en réception- Gain de formation de voie et de réjection d'interférence
� Gain MIMO- Gain de diversité- Gain de Multiplexage spatial
Développement des techniques MIMO :� La release 5 de l'UMTS (W-CDMA) prévoit l'utilisation du codage d'Alamouti pour la voie descendante (N=2, M=1)� Le dernier née de la famille 802.11 :
• Appellation : 802.11n • Intègre du MIMO-ODFM (diversité fréquentiel)
� Et plusieurs produits propriétaires déjà disponibles