15 Juin 2015

PERSWADE (1/2) 1

PERVASIVE AND SMART WIRELESS APPLICATIONS FOR THE DIGITAL ECONOMY

Préparer les étudiants à relever:► De nouveaux défis technologiques► De nouveaux problèmes d'intégration

spécifiques à l'application► Une nouvelle culture industrielle

PERSWADE (2/2) 2

PARTENAIRES

Problématique (1/3) 3

► Angle d’arrivée moyen► Étalement angulaire

LA PROPAGATION MULTI-TRAJETS

Problématique (1/3) 3

► Angle d’arrivée moyen► Étalement angulaire► Étalement de Doppler

LA PROPAGATION MULTI-TRAJETS

Problématique (3/3) 4

LE PRTOTYPAGE RAPIDE

Contrainte: Réduire le « Time-to-market »

Solution: Développer une méthode de prototypage rapide:

les plateformes radio-logicielles SDRSOFTWARE DEFINED RADIO

► Reconfigurables (à base de FPGAs)► Conception à haut niveau d’abstraction

ECOLE NATIONALE D’INGÉNIEURS DE TUNIS

Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen, l’étalement angulaire et

l’étalement du Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA

PROJET DE FIN D’ÉTUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR EN TÉLÉCOMMUNICATIONS

Présenté par:Yassine SELMI

Encadré par:M. Faouzi BAHLOUL - ENIT

M. Rabah ATTIA – ENITM. Abdelaziz SAMET - INRS

EMTM. Sofiène AFFES – INRS EMT

Démarche du projet 5

Etude de l’estimateur conjoint

Développement du modèle MATLAB/Simulink

Intégration du modèle dans une chaîne SIMO

Test et validation du modèle par SAO

Génération du canal radio

Implémentation et test de l’estimateur

12

34

56

PRÉSENTATIONDE L’ESTIMATEUR

CONJOINT

► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA

PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS

1

Présentation de l’estimateur (1/3) 6

HYPOTHÈSES ET ALGORITHME

► Environnement macro-cellulaire► Communication uplink via un canal de Rayleigh► Communication Single-Input Multiple-Output (SIMO)

Signal reçu en bande de base à la ième antenne:

y

x

Station de base

dklmobile

Présentation de l’estimateur (2/3) 7

HYPOTHÈSES ET MODÈLE MATHÉMATIQUE

2. Angle d’arrivée moyen:

3. Étalement angulaire

4. Étalement de Doppler

1. Intercorrélation spatio-temporelle

Présentation de l’estimateur (3/3) 8

ADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE

► Standard LTE: période symbole Ts = 10-5 secondes

► Estimateur développé sur une période symbole Ts = 60.10-5 secondes = 1/1500 secondes

► Période symbole : Ts = 10-5 secondes

► Période d’échantillonnage : Téch = 64.Ts = 64.10-5 secondes

► Nombre d’échantillons: Ns = 1024

► Durée d’observation: T = Téch.Ns = 0,65 secondes

CONCEPTION MATÉRIELLE DE L’ESTIMATEUR

2► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA

PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS

Conception matérielle de l’estimateur (1/13) 9

OUTILS DE CONCEPTION

Conception matérielle de l’estimateur (2/13) 10

VUE SYSTÈME

Conception matérielle de l’estimateur (3/13) 11

LE CONTRÔLLEUR

► 3 machines à états finis► Moore vs. Mealy► Machines de Moore: les sorties ne

dépendent que de l’état courant► Synchronisation entre le contrôleur et le

Datapath

► MCode: Programmer des machines à états finis avec le langage MATLAB

Conception matérielle de l’estimateur (4/13) 12

LE CONTRÔLLEUR

0

1

2

3

d_valid = true

cmp >= 799

dataCnt > = samples_num -1

d_validd_valid = false

dataCnt < samples_num-1

cmp < 799

INIT

cmp = 0dataCnt = 0we = false

en_add = falseallow = false

SYNC

cmp =cmp+1we = false

en_add = false

STORE

cmp =1dataCnt = dataCnt +1

we = trueen_add = true

FINISH

cmp =0dataCnt = 0we = false

en_add = falseallow = true

0

1

2

enable = true

dataCnt+tau> =samples_num-1

Finish_acquisition

enable = false

dataCnt+tau<samples_num-1

INIT

dataCnt = 0addr1 = -1addr2 = -1

accu_rst = trueaccu_en = false

we = false

ACCU

dataCnt= dataCnt +1addr1 = dataCnt

addr2 = dataCnt+tauaccu_rst = falseaccu_en = true

we = false

FINISH

dataCnt = 0addr1 = -1addr2 = -1

accu_rst = falseaccu_en = false

we = trueallow = trueAcquisition FSM xcorr FSM

Conception matérielle de l’estimateur (4/13) 12

LE CONTRÔLLEUR0

1

2

enable = true

finish_calc = true

Finish_xcorr

enable = false

finish_calc = false

INIT

tryCnt = 0retry = falsewe = false

allow = false

COMPUTE

retry = falsewe = false

FINISH

tryCnt = 0we = false

retry = falseallow = true

4

STORE

tryCnt = tryCnt+1retry = false

we = true

RETRY

retry = truewe = false

tryCnt>=iteration

finish_calc

tryCnt<iteration

3

JE FSM

Conception matérielle de l’estimateur (5/13) 13

LE DATAPATH

► Ensemble des fonctions pour manipuler le signal reçu► Unité arithmétique et logique (ALU)► 3 blocs: Acquisition + cross-correlation + new JE

Conception matérielle de l’estimateur (6/13) 14

LE DATAPATH

CH1 SAMPLE RAM

CH2 SAMPLE RAM

CORDIC ATAN

CORDIC ATAN

X ARSINLUT

|.|

|.|

SQRT(-LOG)LUT

SQRT(-LOG)LUT

X

COS

|.| SQRT(-LOG)LUT

(.)²

CORDIC DIVIDER

X

COS

CORDIC ATAN

SIN

(.)²

SQRTLUT

ACCU

ACCU

CORDIC DIVIDER

CORDIC DIVIDER

REGR11(1)

REGR12(1)

REGR12(10

0)AC

CU CORDIC DIVIDER

NEW J E BLOCKCROSS-CORRELATION COMPUTING BLOCK

ACQUISITION BLOCK

RECEIVED SIGNAL CH1

RECEIVED SIGNAL CH2

MEAN AoA PROCESS

AS PROCESS

DS PROCESS

Conception matérielle de l’estimateur (7/13) 15

LE DATAPATH

► Les look-up tables adresse valeur

0 cos(min)

1 ..

2 ..

4 ..

…

2N -2 ..

2N -1 cos(max)

Conception matérielle de l’estimateur (8/13) 16

LE DATAPATH

► Optimisation des ressources

Re-Im to Complex Complex to Re-Im

10,110…0100,100…10

10110…0100100…10

Fix16

Fix16UFix3210110…

0100100…10

Conception matérielle de l’estimateur (9/13) 17

RESSOURCES REQUISES ET PERFORMANCE

Allocation des ressources %

Slices 507 1,03 %LUTs 298 0,15 %BRAMs 124 Kb 2,43 %Flip Flops 531 0,13 %

Conception matérielle de l’estimateur (10/13) 18

RESSOURCES REQUISES ET PERFORMANCE

Nombre de cycles d’horloge Temps d’exécution

Acquisition 65536x800 65536 µsCross-correlation 1023 12,78 µs

New JEMean AoA 29 0,36 µsAS 68 0,85 µsDS 76 0,95 µs

Total 52.429.996 0,65537495 secondes

Conception matérielle de l’estimateur (11/13) 19

CONCEPTION DE LA CHAÎNE DE COMMUNICATION SIMO

Émetteur QPSK

Diagramme de constellation

► Générateur de bits pseudo-aléatoire (basé sur une structure LFSR)

► Modulateur QPSK (Look-up table)► File FIFO pour contrôler le rythme d’émission

Conception matérielle de l’estimateur (12/13) 20

TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO

► Approche de conception « down-to-top »

► Exploitation des MATLAB/Simulink blocks pour tester le design au lieu de développer les testbenchs

► Exemples: Scope,

ToWorkspace, WaveScope…

Conception matérielle de l’estimateur (13/13) 21

TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO

Test unitaire

Conception matérielle de l’estimateur (13/13) 21

TEST ET VALIDATION DU DESIGN PAR SAO

Test d’intégration

IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA PLATEFORME

3► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA

PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS

Implémentation dans la plateforme (1/4) 22

Station de travail

12 3

1.Nutaq MBDK Host

2.Nutaq PicoSDR 2x2

3.EB Propsim Channel Emulator

Implémentation dans la plateforme (2/4) 23

Préparation à la co-simulation

► Mux (Tx) et Demux (Rx) I/Q ► des cartes Radio420x de Nutaq PicoSDR► Ajout des registres de contrôle► Ajout d’une mémoire SDRAM

Implémentation dans la plateforme (3/4) 24

Génération du bitstream

► Configuration de la plateforme cible: horloge 12,5 ns

► Compilation: Perseus601x► Xilinx iMPACT: Charger le bitstream

dans la RAM de la plateforme

Implémentation dans la plateforme (4/4) 25

Configuration de l’émulateur de canal

► Configuration (SISO/SIMO/MISO/MIMO)

► SNR► Fréquence porteuse► Covariance entre les

antennes► Fréquence de Doppler► Bilan de puissance

CO-SIMULATIONET RÉSULTATS

4► PRÉSENTATION DE L’ESTIMATEUR► CONCEPTION MATÉRIELLE► IMPLÉMENTATION DU DESIGN SUR LA

PLATEFORME► CO-SIMULATION ET RÉSULTATS

Co-simulation et résultats (1/3) 26

Hadware-in-the-loop co-simulation

► Communication GigaEthernet► Interface de débogage et de

contrôle► 10.000 boucles de Monte-Carlo

Co-simulation et résultats (2/3) 27

Résultats

Co-simulation et résultats (2/3) 27

Résultats

Co-simulation et résultats (3/3) 28

Limites

► Bruit d’amplificateurs de puissance► Bruit de préamplificateurs micro-ondes► Bruit de phase des oscillateurs VCO► Bruit de connexion entre Nutaq PicoSDR et l’émulateur de

canal► Bilan de puissance

► Représentation des données limitées: virgule fixe► Précision limitée des fonctions implémentées avec des LUTs

Causes internes

Causes externes

CONCLUSIONET PERSPECTIVES

Conclusion et perspectives (1/2) 3292

Conclusion

► Modèle MATLAB de l’estimateur conjoint selon le standard LTE► Modèle embarqué avec Xilinx System Generator► SAO du design proposé► Design dans une plateforme radio logicielle► Test du fonctionnement de l’estimateur

Conclusion et perspectives (2/2) 30

Perspectives

► Scénarios de co-simulation► Effet HF dans le modèle mathématique du signal► Étude d’autres distributions angulaires► Application réelle: Antennes intelligentes

ECOLE NATIONALE D’INGÉNIEURS DE TUNIS

Conception et implémentation d’un estimateur conjoint de l’angle d’arrivée moyen, l’étalement angulaire et

l’étalement du Doppler dans une plateforme matérielle à base de FPGA

PROJET DE FIN D’ÉTUDES POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR EN TÉLÉCOMMUNICATIONS

Présenté par:Yassine SELMI

Encadré par:M. Faouzi BAHLOUL - ENIT

M. Rabah ATTIA – ENITM. Abdelaziz SAMET - INRS

EMTM. Sofiène AFFES – INRS EMT

Annexe 1Etude de

l’estimateur conjoint

AnnexeBENCHMARK

Angle d’arrivée moyen

Étalement angulaire

Étalement de Doppler

Two-Stage (TS)Spread-Root-MUSIC (SRM)Two-Rays (TR)New Joint Estimator (new JE)

AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ANGLE D’ARRIVÉE MOYEN

AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ÉTALEMENT ANGULAIRE

AnnexeNRMSE DE L’ESTIMÉE DE L’ÉTALEMENT DE DOPPLER

AnnexeORDRE DE COMPLEXITÉ EN TERME DU NOMBRE D’OPÉRATIONS EN VIRGULE FLOTTANTE

New JE TS SRM TR TS+TR

25 575 25 600 128 000 40 920 000 41 048 000

AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE

Période symbole

AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE

Nombre d’échantillons

AnnexeADAPTATION DE L’ESTIMATEUR AU STANDARD LTE

Période d’échantillonnage

64Ts 64Ts

Temps

Ts

Annexe 2Design détaillé

AnnexeDesign

AnnexeTransmitter QPSK

AnnexeRegistre à décalage à retroaction linéraire LFSR

AnnexeModulateur QPSK

AnnexeCross-correlation

AnnexeNew JE

AnnexeAoA process

AnnexeAS process

AnnexeDS process

AnnexeChannel SIMO

AnnexeCO-SIMULATION