Quelles contraintes sur les codes - Pages personnelles à TELECOM
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Quelles contraintes sur les codes - Pages personnelles à TELECOM
Standards et systèmes de communication : Quelles contraintes sur les codes ? Orange Labs Pierre Pénard, Marie-Hélène Hamon Recherche & Développement 14/01/2010 Groupe France Télécom Sommaire Le codage correcteur d'erreurs dans les systèmes télécom – – – – Différents standards et leurs contraintes de codage – – – – Evolution des codes correcteurs d'erreurs Insertion des codes dans une chaîne de traitement, coût d'insertion Les contraintes imposées par les codes aux systèmes Contraintes imposées par les systèmes aux codes Mobile – LTE, LTE Advanced – WiMax (IEEE 802.16m) PLC – HP AV – ITU G.hn WLAN/WPAN – WiFi: IEEE802.11n et IEEE802.11ac – 60 GHz: Broadcast – DVB-NGH Conclusion - Tendances Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 2 GDR-ISIS – 14/01/2010 3 SNR 1962 1969 1981 3dB SNR Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 1993 Theoretical limit 1955 BER 1948 Theoretical limit BER Theoretical limit BER co de s Re -d isc ov er yo Irr fL eg DP ula C rL co DP de s C Du co o de bin s ar yT ur bo -C od es Ite Tu ra rbo tiv -C e de ode co s di ng Ta nn er Vi te rb ia lgo rit lc od es hm tio na co de s nv olu LD PC Co Sh an no n Historique du codage 1995 1998 2000 Threshold effect < 0.5 dB Error floor SNR GDR-ISIS – 14/01/2010 time Processus de standardisation des codes Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 4 GDR-ISIS – 14/01/2010 Les codes correcteurs dans les standards Transmission numérique = gestion des erreurs de transmission Différentes générations de codes – Convolutifs, BCH, Reed Solomon… – Simplicité d'encodage, décodage en une seule passe – Apparition du décodage itératif : codes "avancés" – Turbo-codes, LDPC – Performances élevées Introduction de ces codes avancés dans les standard à la fin des années 90 – Réticences pour changer d'une série de codes bien maîtrisée – Ecueil de la complexité du décodage en particulier – Echec TC à DVB-T en 1994 (pas assez "mature"….) – TC : INMARSAT (1997), ESA/NASA (1998) – Mais à partir du début des années 2000 : adoption progressive dans les nouvelles générations de "gros" systèmes. – TC : UMTS (1999), DVB-RCS/T (2000), CCSDS (2001) Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 5 GDR-ISIS – 14/01/2010 Coût d'insertion d'un code avancé Aspects fonctionnels – Complexité des traitements – Opérations complexes – Traitements itératifs – Augmentation de la latence (zapping…) – Pb de la flexibilité (différents cas d'exploitation) Impacts sur le matériel – Surface de silicium augmente – Consommation Prix des systèmes Temps de développement – Acquisition d'IP – Montée en compétences Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 6 Chute des débit Time to market GDR-ISIS – 14/01/2010 Introduction en plusieurs phases Phase 1 : Les systèmes s'adaptent aux codes – – Représente un élément majeur du système -> compromis – Impact sur le framing (tailles de blocs, rendements, padding…) Difficulté à atteindre des débits élevés Phase 2 : Les codes doivent s'adapter aux systèmes – Gain de performances/avantages acquis : le passage à ces codes avancés est "naturel" et accepté – Montée en débit requise : progressivement 1 Gb/s et au-delà – Des systèmes de plus en plus complets et complexes – Multiplication des modes : plusieurs codes différents dans un même standard – Applications variées et multiples avec des contraintes différentes – Backwards compatibility avec systèmes antérieurs – Applications de plus en plus exigeantes : ex/ applications mobiles – Nouvelles fonctionnalités (MIMO, …) Le code n'est plus le seul élément majeur/complexe. Il doit s'adapter aux contraintes du système – Impact sur les codes – Architectures de décodage haut débit – Flexibilité (rendement, taille de blocs) – Encodage simple – Cohabitation de plusieurs codes évolués Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 7 GDR-ISIS – 14/01/2010 Quelques exemples de standards récents Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 8 GDR-ISIS – 14/01/2010 Systèmes mobiles -1 Déjà un code évolué dans la 3G – 3GPP (UMTS), 3 GPP2 (cdma2000) – TC binaires – Blocs de 40 à 5114 bits (3GPP) – Rate initial : 1/3 (3GPP) et 1/5 (3GPP2) – Débit : 384 Kbps 3G+ (HSPA) – Débit de 384 Kbps à 14.4 Mbps Nouvelle génération: LTE – Modification de l'entrelaceur interne (TC : parallélisation) – Débit max par utilisateur (DL) : 300 Mbps WiMax (802.16) – Les générations actuelles intègrent plusieurs codes (IEEE802.16a/d/e): – Code convolutif, Turbo Codes en Blocs, DB-TC, LDPC Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 9 GDR-ISIS – 14/01/2010 Systèmes mobiles -2 Vers un système 4G : Les débits Bits/s/Hz = Mbits in 10 MHz per user DL UL User plane Bandwidth ITU Requirement s 30 (8x8) 15 (4x4) 15 (4x4) 6.75 (2x4) ~5 ms < 5 ms < 5 ms Up to 20 MHz Up to 100 MHz > 40 MHz 15 (4x4) 7.5 (2x2) Peak data rate Latency LTEadvanced Target LTE 2.5 (1x2, 16 QAM) 3.6 (1x2, 64 QAM) Débits : 150-300 Mbps (LTE), 600 Mbps (ITU), 3 Gbps (LTE-A) Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 10 GDR-ISIS – 14/01/2010 Systèmes PLC (Power Line Communication) -1 HomePlug [HPAV] – – – – – Produits actuellement déployés (Orange live Plug) Spécification: Home Plug AV (HP AV) – 200 Mbps couche PHY Turbo-codes duo-binaire Caractéristiques: – Tailles de blocs : K = 128, 1088, 4160 – Rendements : 1/2 ou 16/21 Prochaine génération en cours de préparation: HP AV2 – Débit : 1Gb/s couche PHY ITU G.hn [ITU-T G.9960] – – – – – Standard unique pour 3 mediums filaires: powerline/coax/cuivre Publication en 2010 LDPC adopté dans des conditions assez conflictuelles… Débit cible : 1 Gbps Caractéristiques: – Tailles de blocs : K = 150 à 4000 – Rendements : 1/2 à 20/21 Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 11 GDR-ISIS – 14/01/2010 Systèmes PLC (Power Line Communication) -2- Résumé – Techno de codage : LDPC ou TC duo-binaire – Tailles de blocs : 600 à 2000 bits – Rendements : 1/2 à 20/21 – Débits : 200 Mbps à 1 Gbps Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 12 GDR-ISIS – 14/01/2010 WLAN/WPAN : WiFi -1 WiFi – – IEEE802.11n – Standard publié en 2009, actuellement en cours de déploiement – Débit max : 600 Mbps. Produits actuels : 270 Mbps (2.4 GHz) ou 300 Mbps (5GHz) – Apparition de codes LDPC (en option) – Caractéristiques : – Taille blocs : N = 648,1296,1944 – Rendements: R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 Travail a commencé sur prochaine génération : IEEE802.11ac – Débit cible : 1 Gbps multi-station, 500 Mbps single user, débit MAC – Stade initial, standard prévu fin 2012 60 GHz (bande 57-66 GHz): – Première génération standardisée: IEEE802.15.3c, publié en 2009 – Débits (PHY) : – Mandatory : 1.6 Gbps avec un RS. Jusqu'à 6 Gbps avec un LDPC – Taille blocs : N = 672 ou 1440 bits – Rendements : R = 1/2 à 7/8 – En préparation: IEEE 802.11ad – Ré-utilisation des couches supérieures 802.11 – Débit multi-Gb/s – Transfert de session rapide entre couches PHY (11ac and 11ad) – Standard attendu pour fin 2012 Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 13 GDR-ISIS – 14/01/2010 WLAN/WPAN : WiFi -2- Résumé – Techno de codage : RS, LDPC… – Tailles de blocs : 128 à 4160 bits – Rendements : 1/2 à 7/8 – Débits : 1 à 6 Gbps Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 14 GDR-ISIS – 14/01/2010 Broadcast DVB-NGH – Futur standard de TV mobile – Historiquement, LDPC (DVB-S2-T2) déjà au sein du Consortium – Tailles de blocs : N = 16000 bits – Débits cible : 10 Mbps – Environnement mobile -> Faible consommation Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 15 GDR-ISIS – 14/01/2010 Conclusion - Tendances 1. Augmenter les débits – Le Gbps est quasiment obligatoire en décodage 2. Diminuer la consommation – Produits "verts"… – Environnement mobile, nomade 3. Améliorer la flexibilité – Multitude de tailles de blocs /rendements – Cohabitation de plusieurs technos de codage – Générations de standards successives – Transfert entre couches PHY Groupe France Télécom - Orange Labs - Recherche & Développement 16 GDR-ISIS – 14/01/2010