Gautier techniques mimo

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    18-Dec-2014
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  • 1. TECHNIQUES MIMOMatthieu GAUTIER MIMO 1
  • 2. Plan du Cours Introduction Partie I : Antennes compactes Partie II : Antennes larges bandes Partie III : Antennes polarisation circulaire Partie IV : Antennes grand gain Partie V : Formation de faisceau Partie VI : Antennes intelligentes Partie VII : MIMO Matthieu GAUTIER MIMO 2
  • 3. Plan de la prsentationIntroductionLa technique MIMO Principe Capacit CodageLes rcepteurs multi-voies Structure multiplexage par code Structure superposition des spectres Matthieu GAUTIER MIMO 3
  • 4. IntroductionFuturs systmes de tlcommunications Toujours plus de dbit pour toujours plus de mobilit Matthieu GAUTIER MIMO 4
  • 5. IntroductionPrincipes de diversit :Revenons un peu sur les degrs de liberts dun signal...Il y a quatre domaines principaux de diversits possibles : temporelle frquentielle polarisation spatiale Ces domaines correspondent aux grandeurs variables sur le canal de transmission. Matthieu GAUTIER MIMO 5
  • 6. Introduction Emetteur Rcepteur TDiversit temporelle : T + t T + 2t CanalDiversit frquentielle :Diversit de polarisation : Matthieu GAUTIER MIMO 6
  • 7. IntroductionDiversit spatiale :Lutilisation de 2 antennes espaces permet de limiter les affaiblissements ds aux trajets multiples Matthieu GAUTIER MIMO 7
  • 8. IntroductionLes principales techniques : SISO : Single Input Single Output Tx Canal Rx Pas intressante SIMO : Single Input Multiple Output Canal La plus mature Tx Rx Implmentation MISO : Multiple Input Multiple Output Canal Formation de faisceau, Tx Rx Diversit, codage MIMO : Multiple Input Multiple Output MISO Canal Tx Rx Transmission sur plusieurs canaux Matthieu GAUTIER MIMO 8
  • 9. 1. LA TECHNIQUE MIMOMatthieu GAUTIER MIMO 9
  • 10. 1. La technique MIMO 1.1 PrincipeLa technique MIMO :Quand on utilise plusieurs antennes lmission, chacune devientune source dinformation diffrente pour les antennes de rception On augmente encore la diversit Matthieu GAUTIER MIMO 10
  • 11. 1. La technique MIMO 1.1 PrincipeMultiplexage spatial : On divise linformation en autant de flux que dantennes dmission Augmentation du dbit proportionnelle au nombre dantennes dmission Dcodage spatio-temporel en rception (il faut au moins autant dantennes) Matthieu GAUTIER MIMO 11
  • 12. 1. La technique MIMO 1.1 Principe Inversion de matrice :signal envoy signal reu signal dcod La facilit de dcodage de linformation va dpendre de linversibilit de la matrice Matthieu GAUTIER MIMO 12
  • 13. 1. La technique MIMO 1.1 PrincipeMatrice inversible :La facilit dinversion de la matrice va dpendre de la corrlationentre les signaux reus :- dpend de la distance entre les antennes,- de ltalement angulaire des signaux. rang 1 (non inversible !)Il faut donc soit un espacement important entre les antennes, soit un maximum de trajets multiples (parfait en indoor) Matthieu GAUTIER MIMO 13
  • 14. 1. La technique MIMO 1.2 CapacitDfinition de la capacit dun canal : La capacit dun canal est la quantit maximale dinformationpouvant transiter travers le canal par unit de temps. Cest le maximum de linformation mutuelle moyenne entrelentre X et la sortie Y du canal : C = max I ( X ; Y ) p( x) Matthieu GAUTIER MIMO 14
  • 15. 1. La technique MIMO 1.2 Capacit h nCapacit dun canal SISO : y = PT x + n xh y h : gain complexe du canal y = PT xh + n Non slectif en frquence (1 coefficient) Slectivit temporelle : h est indpendant du temps => non slectif en temps, h change dun symbole lautre, h varie lentement dans le temps Constant sur une longue dure. Si est le rapport signal bruit moyen la rception : ( ) 2 ( ) =1 S PT E h P = = = T 2 si E h B 2 2 Capacit dun systme SISO sans CSI lmission : ( C = log 2 1 + h 2 ) bits / s / Hz Matthieu GAUTIER MIMO 15
  • 16. 1. La technique MIMO 1.2 CapacitCapacit dun canal MISO : h1 nPT x1 yM h 2 Pour comparer les performances, on travaille puissance mise totale constante. x2 Puissance mise sur chaque antenne : T P M Rapport signal bruit moyen la rception : E( h ) h M PT 2 i M PT xM = i = 2 2 M C = log 2 1 + hi bits / s / Hz 2 M i =1 Matthieu GAUTIER MIMO 16
  • 17. 1. La technique MIMO 1.2 CapacitCapacit dun canal SIMO : h1 n1 x y1 ( )= P h2 n2 2 PT E hi y2 i = T i2 i 2 hN nN yN Crot de faon logarithmique N 2C = log 2 1 + hi bits / s / Hz avec le nombre dantennes i =1 la rception Matthieu GAUTIER MIMO 17
  • 18. 1. La technique MIMO 1.3 Capacit MIMOCapacit dun canal MIMO : MIMO : N metteurs et M rcepteurs hij est le gain complexe du canal entre la jme antenne mettriceet la ime antenne rceptrice Canal non slectif en frquence Matthieu GAUTIER MIMO 18
  • 19. 1. La technique MIMO 1.3 Capacit MIMO nCapacit dun canal MIMO : x H = UDV H y y = Hx + n Avec x = [ x1 K xN ] et y = [ y1 K yM ] T T Dcomposition en valeurs singulires de H : { = U { V m = min ( M , N ) H H { D { M N M m mm m N U et V sont unitaires : D est une matrice diagonale dont les lments non nuls sont les valeurs propres de H : D = diag ( i ) Matthieu GAUTIER MIMO 19
  • 20. 1. La technique MIMO 1.3 Capacit MIMOCanaux virtuel : Objectif : "la sortie" du systme doit tre relie "lentre" parune matrice diagonale Ide : Appliquer un pr-traitement linaire aux donnes transmettre et un post-traitement au signal reu. % x D % y m canaux indpendants % n Matthieu GAUTIER MIMO 20
  • 21. 1. La technique MIMO 1.3 Capacit MIMOCanaux du canal MIMO : La capacit dun sous-canal (puissance mise PT/N) : 2 Ci = log 2 1 + i N La capacit dun systme MIMO tel que le prcdent : m C = Ci si m canaux indpendants i =1 m 2 C = log 2 1 + i i =1 N On crit gnralement cette capacit ainsi : H C = log 2 det I M + H H N Croissance linaire correspondant Matthieu GAUTIER MIMO 21
  • 22. 1. La technique MIMO 1.3 Capacit MIMOConnaissance du canal lmission :La connaissance du canal en rception est aise si on dispose dunesquence dapprentissage, mais la connaissance lmission est pluscomplexe (ncessit dun feedback). Cas sans connaissance du canal (no CSI) :mme puissance alloue aux diffrents metteurs (stratgie BLAST) H C = log 2 det I M + H H N Cas avec connaissance du canal (CSI) : on peut allouer la puissance de manire optimale aux diffrents metteurs (stratgie WATERFILLING) Matthieu GAUTIER MIMO 22
  • 23. 1. La technique MIMO 1.3 Capacit MIMOIllustration du Water-filling : Attribution dun tube inversementproportionnelle la valeur singuliredu mode. Cas particulier : Si une valeursingulire est trs nettementsuprieure aux autres, de quoisagt-il ? Rponse : Beamforming Matthieu GAUTIER MIMO 23
  • 24. 1. La technique MIMO 1.3 Capacit MIMOCapacit thorique : Matthieu GAUTIER MIMO 24
  • 25. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage spatio-temporel :Modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation)Le principe du codage spatio-temporel est dmettre des symboles diffrents sur chacune des antennes dmission.On peut alors choisir soit dutiliser les sous-canaux pour augmenter le dbit, soit pour amliorer la robustesse du lien. Matthieu GAUTIER MIMO 25
  • 26. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelHypothses : Le canal spatio-temporel est compos de MxN sous-canaux varianttemporellement lentement Chaque sous-canal est un canal de Rayleigh Les vanouissement des sous-canaux sont indpendants Les coefficients du canal sont parfaitement estimsConsidrations temporelles :On considre lanalyse du signal sur un bloc de T instants.On suppose que les coefficients du canal sont constants sur la duredune trame de T instants et indpendants dune trame lautre. Codage en treillis ou codage en bloc Matthieu GAUTIER MIMO 26
  • 27. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage spatio-temporel en bloc STBC : Q symboles sont regroups avant codage et transmis simultanment surles antennes dmission puis retransmis diffremment aux T instants suivants. Un exemple : le codage Alamouti N=2 M=1 On encode Q=2 symboles pendant un temps T=2 instants lmentaires, Rendements dun code: R=Q/T ici 1, Code orthogonal. Matthieu GAUTIER MIMO 27
  • 28. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage Alamouti : Signal reu linstant 1 : y1 = h1 x1 + h2 x2 + n1 Signal reu linstant 2 : y2 = h1 x2 + h2 x1 + n2 * * Ecriture en bloc : y1 x1 x2 h1 n1 y = x* x* h + n 2 2 1 2 2 Y = XH +N Orthogonalit du code On peut sommer les capacit de chacun des canaux. Matthieu GAUTIER MIMO 28
  • 29. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage Alamouti : y1 x1 x2 h1 n1 Ecriture en bloc : y = x* x* h + n 2 2 1 2 2 Y = XH +N Modle quivalent : y1 h1 h2 x1 n1 y* = h* h* x + n* 2 2 1 2 2 ) ) Y =HX +N On a bien : HH H ( = h1 + h2 2 2 )I Le dcodage dun tel schma se fait en appliquant le H traitement linaire H au vecteur reu y. Matthieu GAUTIER MIMO 29
  • 30. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage Alamouti : Dcodage : Complexit linaire du rcepteur Critre du rang pleinement satisfait Rendement maximal : Le code dAlamouti permet datteindre la capacit du canal pour un systme 21, mais ce nest plus vrai pour des systmes dordre suprieur [Hassibi 2002] Matthieu GAUTIER MIMO 30
  • 31. 1. La technique MIMO 1.4 Codage spatio-temporelCodage spatio-temporel en treillis : Mme principe que du Viterbi, mais rparti sur les diffrentes antennes (dcodagepar maximum de vraisemblance). Exemple dallocation des symboles : Signal sur lantenne 1 = signal sur lantenne 2 retard dun symbole => Diversit de dlai (canal variant dans le temps) Complexit de dcodage croissance exponentielle en fonction du nombre dantennes Matthieu GAUTIER MIMO 31
  • 32. 1. La technique MIMO 1.4 Technique de rceptionTechnique de rception : Dpendent trs fortement de la technique de communication mise enuvre. Rception code Espace-temps (bloc, treillis) => rcepteur propre. Rception simultane de plusieurs flux dinformation indpendant : - ZF (Zero Forcing) : cherche uniquement supprimer la contribution des autres metteurs (peu performant). - MMSE : diminue linfluence du bruit et des interfrents, mais ne spare pas compltement les sous canaux. - V-BLAST : dcode dabord linformation du signal le plus fort, puis retranche sa contribution aux autres signaux reus, ainsi de suite... Trs performant (sauf propagation derreur de dcision). - Autres techniques plus lourdes : Maximum de vraisemblance, dcodage par sphres gnralis. Matthieu GAUTIER MIMO 32
  • 33. 1. La technique MIMO 1.5 Autres tudesAutres aspects importants prendre en compte : Modlisation du canal de propagation MIMO Estimation du canal MIMO Architecture matrielle : - Intgration des antennes, impact du couplage - Chane RF Matthieu GAUTIER MIMO 33
  • 34. 2. LES RECEPTEURS MULTI-VOIESMatthieu GAUTIER MIMO 34
  • 35. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.1 ProblmatiquePartie analogique (Front-end) : Signal rception Translation en frquence Filtre et mlangeurs en quadrature Filtrage et amplification Filtre RF et LNA Attnuation - Canal hertzien Amplification et filtrage Power Amplifier Passage en RF Modulateur IQ Signal bande de base - DAC Signal mission Matthieu GAUTIER MIMO 35
  • 36. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.1 Problmatique Etat de lart Type dArchitecture : Architecture htrodyne Architecture homodyne Avantages Bonne slectivit, sensibilit - Complexit rduite Rpartition du filtrage et du gain le Faible consommation long de la chane Inconvnients Complexit plus grande due au Tension DC-Offset tension nombre de composants continue parasite Attnuation de la frquence image Contraintes sur le traitement bande de base et sur le dsquilibre des voies I/Q Matthieu GAUTIER MIMO 36
  • 37. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.1 ProblmatiqueEtat de lart Rcepteurs multi-voies : Empilement de frontaux radiofrquence : Autant de frontaux que de voies. Mauvais compromis : performances consommation - complexit Matthieu GAUTIER MIMO 37
  • 38. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.1 ProblmatiqueProposition dtude :Ide : - Utilisation dune seule chane commune - Mutualiser les lments r1 (t) Front-End 1 I1(t), Q1(t) rN (t) IN (t), QN (t) Front-End N Multiplexage des voies r1 (t) I1 (t), Q1(t) Multi- Demulti- plexage Front-end rN (t) plexage IN (t), QN (t) Application 1 : rcepteurs multi-antennes Application 2 : rcepteurs multi-standards Matthieu GAUTIER MIMO 38
  • 39. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.2 Rcepteurs multi-antennesUtilisation du multiplexage : Principe : rN ps ps ps m m m te te te r2 rN r1 r1 r2 rN r2 r1 frquences e frquences e frquences e Multiplexage Multiplexage Multiplexage temporel frquentiel e par code Application aux rcepteurs radio : - Temps : Utilisation dun commutateur rapide - Frquence - Code Matthieu GAUTIER MIMO 39
  • 40. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.2 Rcepteurs multi-antennes Architecture du rcepteur utilisant le multiplexage : Utilisation de ltalement de spectre Ts Ts RF Channels Filter LNAr1 (t) Dmodulateur I/Q e c1 (t) ADC I RF 2 Channels ADC Q Filter LNArN (t) OLfO cN (t) Tc Ts = NTc Matthieu GAUTIER MIMO 40
  • 41. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.2 Rcepteurs multi-antennesIllustration du multiplexage : Matthieu GAUTIER MIMO 41
  • 42. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.2 Rcepteurs multi-standardsArchitecture finale : c [n] 1 N I1 [k]r1 (t) d1 (t) c [n] 2 N I2 [k] c [n] N I3 [k] cper (t) 1 3r2 (t) d2 (t) Dmodulateur I/Q e I4 [k] c [n] 4 N ADC d(t) I[n] cper (t) 2 2 Q[n]r3 (t) ADC d3 (t) c [n] 1 N Q1 [k] OLf0 cper (t) 3 c [n] N Q2 [k] 2r4 (t) d4 (t) c [n] 3 N Q3 [k] cper (t) 4 c [n] N Q4 [k] 4 Etalement de spectre Filtres adapts e Matthieu GAUTIER MIMO 42
  • 43. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.3 Rcepteurs multi-standards La rception multi-standards : RF Channelsr1 (t) Filter LNA ADC I1 [n] 2 ADC Q1 [n] OL1 f RF Channelsr2 (t) Filter LNA ADC I2 [n] 2 ADC Q2 [n] OL2 f Matthieu GAUTIER MIMO 43
  • 44. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.3 Rcepteurs multi-standards Multiplexage des voies : RF Channels Filter LNAr1 (t) 2 ADC I[n] OL1 RF Channels ADC Q[n]r2 (t) Filter LNA f 2 OL2 Matthieu GAUTIER MIMO 44
  • 45. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.3 Rcepteurs multi-standards Technique de superposition des spectres : - Structure Double IQ -r1(t) 2 II(t) I(t) f 2 I1(f) I2(f) OL1 IQ(t) QI(t) Q(t) 2 f fr2(t) QQ(t) 2 Q1(f) Q2(f) f OL2 f f Matthieu GAUTIER MIMO 45
  • 46. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.3 Rcepteurs multi-standards Technique de superposition des spectres : - Structure Double IQ - I(f) Q (f)r1(t) 2 II(t) I(t) f f 2 IQ(t) II(f) QI (f) OL1 QI(t) Q(t) 2 f fr2(t) QQ(t) 2 IQ(f) QQ(f) f OL2 f f Matthieu GAUTIER MIMO 46
  • 47. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.3 Rcepteurs multi-standards Technique de superposition des spectres : - Recombinaison - II(f) QI(f) f fr1(t) II(t) 2 I(t) IQ(f) QQ(f) 2 OL1 IQ(t) QI(t) f f Q(t) 2r2(t) QQ(t) 2 Recombinaison : f OL2 [II(f)+QQ(f)] + j [QI(f)-IQ(f)] [II(f)-QQ(f)] + j [QI(f)+IQ(f)] f f Matthieu GAUTIER MIMO 47
  • 48. 2. Les rcepteurs multi-capteurs 2.3 Rcepteurs multi-standardsArchitecture finale : RF Channels Filter LNA r1 (t) I1 [n] 2 Q1 [n] 2 ADC OL1 DSP RF ADC Channels Filter LNA I2 [n] r2 (t) 2 Q2 [n] 2 f OL2 Matthieu GAUTIER MIMO 48
  • 49. 2. La technique MIMO2.4 ConclusionArchitecture 1 Multiplexage par code : - Complexit rduite : Utilisation de 2 convertisseurs, - Ne dpend pas du nombre dantennes.Architecture 2 Superposition de spectres : - Limite 2 antennes, - Bande passante numriser rduite, - Nombre de convertisseur rduit. Matthieu GAUTIER MIMO 49
  • 50. Conclusion Gain MISO - Gain de diversit lmission - Gain de formation de voie - Gain de capacit multi-utilisateurs Gain SIMO - Gain de puissance (array gain) - Gain de diversit en rception - Gain de formation de voie et de rjection dinterfrence Gain MIMO - Gain de diversit - Gain de Multiplexage spatialDveloppement des techniques MIMO : La release 5 de lUMTS (W-CDMA) prvoit lutilisation du codagedAlamouti pour la voie descendante (N=2, M=1) Le dernier ne de la famille 802.11 : Appellation : 802.11n Intgre du MIMO-ODFM (diversit frquentiel) Et plusieurs produits propritaires dj disponibles Matthieu GAUTIER MIMO 50