Systèmes de radiocommunication de 3ème génération

Systèmes de radiocommunication
de 3ème génération :
WCDMA
Daniel Ménard, Juan A. Ruiz, Emmanuel Gaudry
Daniel Chillet, Olivier Sentieys
Groupe Signal/Architecture
LASTI
Plan (1)
1. Rappels sur les transmissions numériques
Canal de transmission
Modulations numériques
Techniques d’accès
2. Concepts du CDMA
Modulation CDMA à séquence directe
Propriétés des codes
Performances et capacités
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
2
1
Plan (2)
3. Concepts du WCDMA
Codes
Canaux physiques
Modulations
Contrôle de puissance
4. Récepteurs WCDMA
Récepteur simple utilisateur
Récepteur multi-utilisateurs
Complexité
Antennes adaptatives
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
3
PARTIE 1
Rappels sur les
transmissions numériques
Systèmes de communications
Canal de transmission
Ÿ Modulation
Ÿ Techniques d’accès
Ÿ
Ÿ
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
4
2
Systèmes de communication
Protection
des données
Modulation
Accès multiple
Transposition de fréquence
Canal de transmission
Compression
des données
Décompression
des données
Détection et
Transposition de fréquence
correction des erreurs
Démodulation
[Diouris95a]
08/06/2001
5
LASTI - ENSSAT
Canal de transmission (1)
s Signal reçu: combinaison de différents trajets dont les
caractéristiques évoluent rapidement au cours du temps
[Diouris95a]
s Canal radiomobile :
Station de base
ü dispersif dans le temps
ü variable dans le temps (mobilité)
BS
ð temps de cohérence du canal
s Réponse impulsionnelle du canal :
Station mobile MS
x(t)
y(t) = x(t)*h(t)
h(t)
Amplitude
k ème trajet
08/06/2001
Phase
k ème trajet
Retard
k ème trajet
LASTI - ENSSAT
6
3
Canal de transmission (2)
s Fading : évanouissements rapides liés à la combinaison des
différents multi-trajets (MP)
Amplitude du signal reçu pour un véhicule circulant à 100 km/de 8 trajets. [Diouris95a]
08/06/2001
7
LASTI - ENSSAT
Modulations numériques (1)
s Modulation de phase
Diagramme
des signaux
Diagramme
des signaux
Q
I
π
Séquence
binaire
3π
4
0
01
11
π
4
I
S(t)
NRZ
FPB
Signal
modulé
Filtre
passe bas
5π
4
00
10
01
10
7π
4
cos(ω0t+ϕ 0)
Signal
modulé
0
1
1
0
Signal
modulé
1
11
00
10
t
t
t
BPSK (MDP-2)
08/06/2001
QPSK (MDP-4)
LASTI - ENSSAT
8
4
Modulations numériques (2)
s Modulation / Démodulation QPSK
I
NRZ
b2n
Séquence
binaire
FPB
FPB
cos(ω0t+ϕ 0)
s(t)
Séquence
binaire
cos(ω0t+ϕ 0)
r(t)
tg-1(t)
bn
b2n+1
Q
Signal
module
-sin(ω 0t+ϕ 0)
NRZ
-sin(ω 0t+ϕ 0)
FPB
FPB
Modulateur
Démodulateur
08/06/2001
9
LASTI - ENSSAT
Techniques d’accès
FDMA
TDMA
frequency division multiple acces
t
S(f,t)
CDMA
time division multiple acces
code division multiple acces
t
t
S(f,t)
S(f,t)
c3
NU .T
c2
T
f1
f2
Multiplexage
fréquentiel
Ui ⇔ f i
08/06/2001
f
f1
f
Multiplexage
temporel
Ui ⇔ Rect T(t+(nN U+i)T)
LASTI - ENSSAT
c1
f1
f
Multiplexage
par code
Ui ⇔ c i
10
5
PARTIE 2
Les concepts du CDMA
(Code Division Multiple Access)
Modulation CDMA à séquence directe
Ÿ Séquences PN
Ÿ Performances et capacités
Ÿ
08/06/2001
11
LASTI - ENSSAT
Modulation CDMA à séquence directe
S r(f)
B e(f)
B r(f)
2
Tc
2
Ts
f0
se(t)
sr(t)
s2(t)
Σ
be (t)
PN(t)
cos(ω0t)
cos(ω0t)
Ts (symbole)
+1
br(t)
PN(t)
Synchronisation
s1(t)
+1
be (t)
s2(t)
-1
+1
PN(t)
-1
Tc (chip)
+1
PN(t)
-1
-1
+1
s1(t)
-1
08/06/2001
+1
br(t)
LASTI - ENSSAT
-1
12
6
Codes d’étalement
Ÿ Facteur d’étalement (SF):
Ÿ Autocorrélation :
SF =
Ts
Tc
+∞
ϕ c1c1 (τ ) = ∫−∞ c1 (t ).c1 (t − τ ).dt → δ (n)
ð Synchronisation du code
Ÿ Intercorrélation :
+∞
ϕ c1c2 (τ ) = ∫ c1 (t ).c2 (t − τ ).dt → 0
−∞
ð Séparation des canaux :
un canal = un code PN
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
13
Performances et capacités
Ÿ Rapport signal à bruit :
RSB =
Ci
≈
∑ C j + Iext + N
j ≠i
Ci
= RSI
∑ C j + Iext
j ≠i
Ÿ Les signaux reçus par la BS doivent avoir la même puissance
ð minimiser les problèmes d’éblouissement (near-far-effect)
ð nécessité de contrôler la puissance d’émission des MS
Ÿ Le nombre d’utilisateurs est limité par le RSI souhaité
Ÿ L’influence d ’une interférence est fonction de son intercorrélation avec le
signal utile
Ÿ Amélioration de la capacité d’une cellule :
ð codes orthogonaux : diminuer l’influence des interférences
ð récepteur multi-utilisateurs
éliminer les interférences
ð antennes adaptatives
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
14
7
PARTIE 2
Systèmes 3G - WCDMA
(Wideband CDMA)
Radiocommunications 3G: objectifs, standards
Ÿ Codes d’étalement (séquences PN, codes orthogonaux)
Ÿ Canaux physiques
Ÿ Modulation
Ÿ Contrôle de puissance
Ÿ
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
15
Objectifs des systèmes 3G
Ÿ
Débits élevés :
ü 144 Kbps : zone rurale (vitesse < 500 km/h)
ü 384 Kbps : zone semi-urbaine (vitesse < 120 km/h)
ü 2 Mbps : couverture limitée (piétons)
Ÿ
Intégration de services
ü débits multiples
ü débits variables sur une connexion
Ÿ
Accès paquets efficace
Ÿ
Possibilité d’utiliser des techniques d’amélioration de capacité :
Ÿ détections multi-utilisateurs (MUD), suppression d’interférences
Ÿ antennes adaptatives
Ÿ
Compatibilité avec les systèmes de 2ème génération
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
16
8
Standards des systèmes 3G
Standards
Techniques
Débit chip
Cœur du réseau
d’accès
(Mcps)
IMT-DS
UMTS
FDD
WCDMA
3.84
GSM MAP
IMT-TC
UMTS
TDD
WCDMA+TDMA
3.84
GSM MAP
cdma2000
Multicarrier-CDMA
IMT-MC
1.28
3.68 – 3 porteuses
ANSI-41
1.22 - 1 porteuse
IMT-SC
UWC-136
TDMA
GSM MAP
ANSI-41
08/06/2001
17
LASTI - ENSSAT
Séquences PN (1)
+
Ÿ Code PN: séquence pseudo-aléatoire obtenue
à partir d’un registre à décalage de n étages
Ÿ
Séquence M : séquence de longueur maximale
n
ð période de la séquence : N = 2 −1
Ÿ
Propriétés des séquences M:
+
+
ü le nombre de 1 et de 0 est quasiment identique
ü la probabilité d’une suite de 1 ou de 0 de longueur N 1 est égale à : 2 − N 1
ü autocorrélation :
ϕ cc (n) = Nδ (n)
ü intercorrélation : ϕ c c (n) ≥
1 2
08/06/2001
N
LASTI - ENSSAT
ϕcc(τ)
N
-Tc 0 Tc
N.Tc
18
9
Séquences PN (2)
s Codes Gold et Kasami: combinaison linéaire de plusieurs
m-séquences
Type de code
Nombre de codes
Gold (n impaire)
2 +1
Gold (n paire)
2n + 1
Intercorrélation maximale
n
Short Kasami
n
Long Kasami
2
2
n
2
n
22
)
2
)
2
(
2 2 +1
08/06/2001
n +2
2
n
2 2 2n + 1
Very Long Kasami
n +1
2
22
(
n
[Dinan98]
2
n +2
2
n +4
2
+1
+1
+1
+1
19
LASTI - ENSSAT
Codes orthogonaux
Ÿ Intercorrélation des codes orthogonaux nulle si les codes sont
synchronisés :
∀c1 ≠ c2
 ϕc1c 2 ( 0) = 0

ϕ c1 c2 (τ ) ≠ 0 τ ≠ 0
Ä Couplage avec un code PN pour la synchronisation
Ÿ Utilisation de la matrice de Hadamard
ü construction récursive
ü 1 ligne de H N = 1 code
0 0 
H1 = [0] H 2 = 

0 1 
08/06/2001
H N
H2 N = 
H N
LASTI - ENSSAT
HN 
H N 
0
0
H4 = 
0

0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1

0
20
10
Codes orthogonaux de longueur variable (OVSF)
s Longueur des codes variable NOVSF = SF
C41 (1 1 1 1)
s Codes orthogonaux structurés en arbre
ð matrice de Hadamard modifiée
 C2 i.1 
 L   L 

 Ci. j Ci. j 
 C2i . j  = 


 Ci. j Ci. j 
 L   L 
C 2i .2i 
C81
C82
C21 (11)
C42 (1 -1 1 -1)
C83
C84
C11 (1)
C43 (1 1 -1 -1)
SF=1
C22 (1-1)
Ÿ Les codes ci et cj sont orthogonaux
SF=2
si ci n’est pas le père de cj et vice versa
C44 (1-1-11)
SF=3
SF=4
ϕC41 C22= (1, 1, 1, 1).(1, -1, 1, -1)T =0 et ϕC22 C41 = (1, 1).(1, -1) T=0
08/06/2001
21
LASTI - ENSSAT
Canaux physiques voie montante
(MS ð BS)
Ÿ Canaux dédiés : Trame DPDCH/DPCCH
BS
Données: DPDCH
Data Ndata
T slot 2560 chips, N data = 10* 2 k bits k=0-6
Contrôle: DPCCH
Pilot
TFCI
FBI
TPC
T slot 2560 chips, 10 bits
Slot 0
Slot 1
Slot i
Slot 14
1 trame Radio : T=10 ms
TPC : Transmit Power Control
FBI : Feedback Information
TFCI : Transport format combination indicator
Pilot : Séquence de référence
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
[ETSI99-a]:
22
11
Canaux physiques voie descendante (BS ð MS)
Ÿ Canaux dédiés : Trame DPDCH/DPCCH
BS
DPDCH
Data I
DPCCH
TPC
TFCI
DPDCH
DPCCH
Data II
Pilot
T slot 2560 chips, 10* 2 k bits k=0-7
Slot 0
Slot 1
Slot i
Slot 14
1 trame Radio : T=10 ms
[ETSI99-a]:
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
23
Canaux physiques voie descendante (BS ð MS)
Ÿ Canaux communs:
Ÿ
Trame P-CCPCH et S-CCPCH
P-CCPCH : Primary Common Control Physical Channel
Transmet BCCH : Broadcast Control Channel
ð transmission continue et uniforme sur toute la cellule
ð le code du canal est identique pour toutes les cellules
ð définit le N° du code d’embrouillage
S-CCPCH : Secondary Common Control Physical Channel
Transmet les informations de contrôle à travers le FACH et PCH
Ÿ
Trame P-CPICH et S-CPICH Common Pilot Channel
Transmet une séquence de bits de référence (pilot)
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
24
12
Canaux physiques voie descendante (BS ð MS)
Ÿ Canaux communs: Synchronisation P-SCH et S-SCH
P-SCH : Code Cp : code Gold de 256 chips
Non modulé ð référence de phase
Transmission au début de chaque slot (1/10ème du slot)
Séquence commune à toutes les cellules
S-SCH : Code Cs : code Gold de 256 chips (cS ∈ [ c1 , c2 ,..., c16 ] )
Séquence modulante d i :
Slot 0
. commune à toutes les cellules
. bonnes propriétés de corrélation
Slot 15
Slot 1
aCp
aCp
d 0Cs
d 1Cs
2560 chips
aCp
d 15Cs
256 chips
T=10 ms
08/06/2001
25
LASTI - ENSSAT
Modulation voie montante (MS ð BS)
Embrouillage
CD
cos(ω 0 t+ϕ0 )
α = 0,22
Cscr
C’ scr
I
DPDCH
RRC
Re()
I+jQ
+
Im() Q
m(t)
RRC
DPCCH
+
DI
CI
CC
Mise en canal
ü séparation des canaux
ü code OVSF :
4<SF<256
-sin(ω0 t+ϕ0 )
CQ
Modulation
CI
+
DQ
Complex spreading
[ETSI99-b]:
ü séparation des utilisateurs
ü C scr : code de Kasami ( 256 chips)
ü C ’ scr : code Gold séquence de 10 ms (optionnel)
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
26
13
Modulation voie descendante (BS ð MS)
Embrouillage
cos(ω 0 t+ϕ0 )
DPDCH / DPCCH
Série ðParallèle
Cscr
α = 0,22
I+jQ
Re
Cc h
Cp
P-SCH
RectSCH
Σ
I
RRC
+
Im
RRC
S-SCH
-sin(ω0 t+ϕ0 )
d i.RectSCH
Mise en canal
ü séparation des canaux
ü code OVSF : 4<SF<512
Cs
m(t)
Q
Modulation
ü séparation des utilisateurs et des cellules
ü C scr : code Gold séquence de 10 ms
(512 codes : 32 groupes de 16 codes)
[ETSI99-b]:
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
27
Contrôle de puissance
s Performances d’un système CDMA fonction du SIR
Ä Au niveau de la BS les puissances des signaux reçus doivent être
identiques (éviter les phénomènes d ’éblouissement)
Ä nécessité de contrôler la Pe de chaque mobile
s Boucle fermée
ü Objectif : maintenir le SIR à une valeur prédéfinie
Ä Estimation de P DPCCH après corrélation et Pinterférence
Ø Envoie d’une commande à l’aide du champ TPC (BP:1500 Hz)
s Boucle ouverte (voie montante : accès MS)
ü Objectif : limiter la puissance reçue par la BS lors de l’accès de la MS
Ä Mesure : Estimation des pertes liées à la propagation du signal BS ð MS
Ø ajustement de la puissance émise par la MS
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
28
14
PARTIE 4
Récepteurs WCDMA
Accès et synchronisation
Ÿ Récepteur mono-utilisateur
Ÿ Détection conventionnelle
Ÿ Détection adaptative
ŸRécepteur multi-utilisateurs
Ÿ Classification
Ÿ Récepteurs linéaires
Ÿ Récepteurs non linéaires (PIC, SIC)
Ÿ Antennes adaptatives
Ÿ Conclusion
Ÿ
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
29
Procédure d’accès du mobile
Synchronisation au niveau chip, slot, trame avec
la BS cible
[Dahlman 98]
Étape 1
Étape 2
Acquisition des informations BCCH
Estimation de l’atténuation du trajet et calcul de
Pémission(0)
Étape 3
Choix aléatoire d’une signature (préambule)
et d’un sous canal RACH
Émission d’un préambule
Non
äP émission
Détection AICH
oui
Étape 4
08/06/2001
Émission du corps du message PRACH
LASTI - ENSSAT
30
15
Synchronisation du mobile
Slot 0
• Étape 1.1 :Synchronisation slot
Slot 1
aCp
aCp
d0 Cs
d1 Cs
2560 chips
ð Choix de la BS la plus puissante (BS1)
ð Synchronisation du slot à l’aide du Primary SCH
256 chips
• Étape 1.2 : Synchronisation trame à l’aide du Secondary SCH
ð Détermination du N° de groupe du code d’embrouillage parmi les 16
groupes de code disponibles.
ð Synchronisation des séquences modulantes d i.
• Étape 1.3 : Détermination du N° du code d’embrouillage à l’aide du
Primary CCPCH
ü Choix du code fournissant la puissance maximale parmi les 32
codes présents dans le groupe
08/06/2001
31
LASTI - ENSSAT
Récepteurs (W)CDMA
ΣN1
b’
n.Tc
c(n)
y
Delay estimation
(channel profile)
Rake
fingers
(correlator)
ð utilisation d’un récepteur en râteau
(RAKE RECEIVER)
Wideband
decoding
s Récepteur mono-utilisateur :
ð combinaison des MPs
s(n)
combining
s Récepteur simplifié CDMA :
ð corrélation du signal reçu avec une
réplique synchronisée du code
b'
Narrowband
s Récepteur multi-utilisateurs :
ð annulation des interférences entre les utilisateurs
ð diminution de l’effet d’éblouissement
ð augmentation des performances : augmentation de la capacité des
cellules ( ×2 le nombre d’utilisateurs / cellule) [Murotake00])
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
32
16
Récepteur mono-utilisateur
K
L
s ( n) = ∑ ∑ s k ( n − τ l ) + w ( n)
Synchronisation
k =1 l =1
Filtre de
réception
s(n)
N
Convertisseur
de fréquences
h(n)
Estimation τi
RRC
τ1 …
τi
AFC.
... τ L
y1
Power
meas
s d(n)
...
A
Rake
Receiver
yi
AGC
b̂
Combinaison
MP
…
D.C.
yL
τ1 …
Compléxité:
Compléxité: Filtre
Filtre RRC
RRC
FIR16
FIR16 == 491
491 MMAC/s
MMAC/s
τi
... τ L
α1
…
αi
αL
Estimation αi
s pilot(n)
MAC:
.N /T
MAC: 2.N
2.NFIR
FIR.Nss /Tcc
...
P.C.
Nombre
Nombre d’échantillons
d’échantillons par
par chip
chip N
Nss =4
=4
Débit
Débit chip
chipFFcc=1/T
=1/Tcc=3.84
=3.84 Ms/s
Ms/s
N
:
Nombre
de
cellules
du
FIR
NFIR
:
Nombre
de
cellules
du
FIR
FIR
Pilot
08/06/2001
33
LASTI - ENSSAT
Rake Receiver
τ1
y1(m)
finger
MULT: 4Nss /Tcc
ADD: 4Nss /Tcc +2/Tss
τi
yi (m)
s(n)
finger
τL
finger
ai : amplitude complexe du trajet
b : symbole transmis
w c : bruit + interférences :
IIS: intersymbol interférence (MP)
MAI multiple acces interference
08/06/2001
Nombre
Nombre d’échantillons
d’échantillons par
par chip
chip N
Nss =4
=4
Débit
Débit chip
chipFFcc=1/T
=1/Tcc=3.84
=3.84 Ms/s
Ms/s
Débit
Débit symbole
symbole FFss=1/T
=1/Tss== FFcc/SF
/SF
yL (m)
Complex despreading
IWB(n)
yi ( m) = ai ( m)b( m) + wc ( m)
Compléxité: 61.4 MMAC/s
Σ
Σ
c PN. I ( n + τ i )
QWB (n)
Tc
INB (n )
c PN. Q ( n + τ i )
Σ
Σ
LASTI - ENSSAT
+
+
Tc
QNB (n )
34
17
Estimation du retard des MP: τi
s Acquisition du code :
Ø Recherche séquentielle des fenêtres temporelles (Tc) possédant un MP
Ä Analyse de la P dans chaque fenêtre
ϕcs(τ)
SF Tc
Select
Présélection
des fenêtres
t=N1.Tc
non
r>S1
fenêtre suivante
i=i+1, t=0
t
oui
Tc
s(n)
Verif
r (k)
ΣN
t=N2.Tc
N1.Tc
N2.Tc
non
r>S2
fenêtre suivante
i=i+1, t=0
c(n-iTc)
Vérification
des fenêtres
i
Générateur PN
oui
sauvegarde i
fenêtre suivante: i=i+1
Ctrl
t=0
i: indice de la fenêtre d’étude temporelle
08/06/2001
35
LASTI - ENSSAT
Estimation du retard des MP: τi
s Poursuite du code : affiner l’estimation des τi
Ø Utilisation d’une boucle d’asservissement de retard (Delay-Locked Loop)
Ø Étude de la différence entre les voies retard et avance
Σ
I WB (n )
Générateur PN
DLL
QWB (n)
Tc
Ve(k )
Hb (z)
Ve(τ )
-T c/ 2
+
cPN ( n + τ i + Tc 2 )
T c /2
τ
-Tc 0 Tc
Σ
Σ
08/06/2001
Ve(τ )
N
c PN ( n + τ i )
cPN ( n + τ i − Tc 2)
ϕcc(τ)
+
Σ
+
LASTI - ENSSAT
ð Possibilité d’éliminer cette
boucle si la phase d’acquisition est
assez précise
36
18
Récepteur mono-utilisateur : combinaison MP
Complexité (multiplexage temporel)
≅ 4Nss L/Tcc = 245.75 MMAC/s
[Ojanperä98, chap10]
MAC complexe: (Nss /Tcc+1/Tss).L
ADD:
L/Tss
y1( k ).αˆ1*
Nombre
Nombre de
de multi-trajets
multi-trajets :: LL =4
=4
τi
sData(n)
sPilot (n)
08/06/2001
y i ( k ).αˆ i *
Σ
bˆ(k )
décision
bi I pilot
finger i
Estimation α i
r2
r2
r1
yi (k ) = αi .b( k )
finger i
τi
r4
r1
αˆ ì*
Multiplexage
temporel
ou de code
r3
r3
r4
α̂ ì
HPB(z)
bi Q pilot
( )*
y L ( k ).αˆ L *
Combinaison MP
37
LASTI - ENSSAT
Estimation du canal complexe
Estimation aidée par les données
(présence de bits de référence : pilot)
Estimation dirigée par la décision
(absence de bits de référence)
Élimination de la modulation
General channel estimation filter
Decision directed channel estimator
s Possibilité d’adapter les coefficients des filtres de prédiction par filtrage
adaptatif
[Juntti98]
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
38
19
Détection adaptative
[Teusher98]
[Koula00]
s Détecteur adaptatif
Ø Amélioration des performances : diminution des interférences (MAI)
Ø Adaptation aux variations du canal de transmission
Ø Augmentation de la complexité raisonnable par rapport à la détection
conventionnelle
ð Les coefficients du filtre sont
adaptés afin de minimiser l’erreur
entre le symbole décidé (bk) et le
symbole estimé (yk/ck)
Combinaison
des MP
08/06/2001
39
LASTI - ENSSAT
Classification des récepteurs WCDMA
Delay estimation
(channel profile)
CDMA receivers
Conventional
Multiuser
Adaptive
Filters
Détection
conjointe
Optimal
(MLSE)
Wideband
(chip level)
Sub-optimal
MUSO
Linear
Decorrelator
Multistage
Reduced
Tree Search
Conventional
First Stage
Decorrelating
First Stage
Succ. Canc.
First Stage
[Ojanperä98, chap5]
08/06/2001
Annulation
d ’interférences
Neural
Networks
Decision
Feedback
Decorrelating
Decision
Feedback
Successive
Cancellation
PIC
LASTI - ENSSAT
b'
Narrowband
(symbol level)
Non-linear
MMSE
combining
Single User
Rake
fingers
(correlator)
decoding
y
SIC
40
20
Récepteur WCDMA multi-utilisateurs
Synchronisation
Filtre de
réception
Estimation τi
... τ L
Rake
Receiver
y 11
y ij
…
s d(n)
...
y 11
Power
meas
Détecteur
MultiUtilisateurs
y KL
y ij
bˆ1
bˆ
...
τi
Combinaison
MP
i
…
τ1 …
...
h(n)
N
…
s(n)
A
bˆK
y KL
αi j
αi j
Estimation αij
Pilot
[Ojanperä98, chap10]
08/06/2001
41
LASTI - ENSSAT
Modélisation du système WCDMA
s1 (t)
A1
User 1
τ1
b1
y1(m)
Finger 1
s2 (t)
User 2
b2
+
..
.
bK
sK (t)
n(t)
A2
User K
τp
yp (m)
s(n)
+
Finger p
τP
AK
yP (m)
Finger P
M
yp = Apbp + ∑Ajbj ρ jp + np avec p = (k−1)L+ l
j=1
j≠ p
y = RAb + n
08/06/2001
R={ρki}, : Matrice de corrélation
T
ρ ki = ∫ 0 sk (t ) si (t ) dt
y=[y1, y2, …, y K]T
A= diag [A1, A 2, …, AK]T
b=[b1, …, b1, b2,… , b2, …, bK]T
LASTI - ENSSAT
42
21
Dé-corrélateur :
Estimation
délais
Calcul T
T
T = R −1 → yˆ = Ab + R −1n
Ÿ MMSE (Minimum Mean Square Error) :

minK× K E b − Ty
M ∈R
Ÿ
2
 → T = [ R + σA
Combinaison
MP
Ÿ
Rake
receiver
Récepteurs MUSO linéaires
−2 −1
]
[Moshavi96]
[Koula00]
Propriétés :
ð Inversion de matrice : décomposition de Cholesky
ð Implantation complexe
ð L’inversion de matrice nécessite une précision de calcul élevée
ð Solution MMSE moins sensible au bruit
08/06/2001
43
LASTI - ENSSAT
Récepteurs MUSO non-linéaires
[Moshavi96]
[Koula00]
b̂1
Select max
Delay
Rake
Receiver
Ÿ SIC: (Successive interferences cancellation)
s (n)
(1)
P1 > P2 ... > PK
...
08/06/2001
+
LASTI - ENSSAT
Rake
Receiver
...
Delay
Select max
+
b̂2
Select max
Delay
Rake
Receiver
Re-génération
b̂i
...
44
22
Récepteurs MUSO non-linéaires
[Varanasi90]
[Ojanperä98, chap10]
Ÿ PIC: (Parallel interferences cancellation)
s (n)
+
+
Re-génération
+
Re-génération
bˆK ,N −1
Re-génération
Re-génération
*
Re-génération
ci (n − τ ij )
08/06/2001
c1,1
α̂11
*
c1, j
αˆ1 j
*
c1, L
αˆ1 j
*
+c
K ,1
+c
+c
αˆK 1
*
αˆKj
*
K, j
αˆKj
*
K,L
Combinaison MP
+
Re-génération
Combinaison MP
Étage N
bˆ1, N −1
αˆij
(2)
bˆ1, N
bˆK , N
45
LASTI - ENSSAT
Complexité des récepteurs (1)
Ÿ
[Ojanperä98]
Paramètres:
ž Nombre de canaux utilisateurs : K= 150
ž Nombre de MP : L = 4
ž Nombre d’échantillons par chip : Ns =4
ž Longueur du code : Nc =256
ž Débit symbole : Fs=1/T=15 Kbits/s
Opérations/s
WCDMA
Conventionnel (MF)
O[(4.Nc .Ns .K.L.)T]
36 G.op/s
PCG (MUD linéaire)
O[(12.I.N.(K.L.)²)T]
104 T. op/s
PIC (niveau symbole)
O[(4.M.(K.L.)²)T]
43 G. op/s
Nombre d’étages M=2
PIC (niveau chip)
O[(8.M.Nc .Ns .K.L.)T]
147 G.op/s
Nombre d’étages M=2
SIC (niveau chip)
O[(8.M.Nc .Ns .K.L.)T]
73 G. op/s
Nombre d’étages M=1
138 G op/s
Extrapolation à partir de [Teusher97]
(gradient conjugué préconditionné)
Adaptative MUD
08/06/2001
Remarques
Nombre d’itérations I=124
Taille de la fenêtre d’observation N=13
LASTI - ENSSAT
46
23
Complexité des récepteurs (2)
s Estimation de la complexité au niveau du mobile [Becker99], [Jung99]
Taches
Complexité (MIPS)
Filtres digitaux (mise en canal, RRC)
3600
Acquisition et synchronisation
(trames, slots, estimation des délais)
1500
Rake receiver
650
Combinaison des MP
24
Estimation du canal
12
Turbo codage
52
Total
08/06/2001
5 838
LASTI - ENSSAT
47
Proposition d’implantation
s Composants proposés :
s M-GOLD (infineon)
s DSP Carmel 100 MHz
s µC 32 bits TriCore
s ASIC :
s Codage, décodage de source
s Codage, décodage de canal
s Modulation, démodulation
s CS2000 (Chameleon) [Chameleon00]:
s Processeur reconfigurable
s performances : 24 Gops/s (16 bits)
s modulation et démodulation de 50 canaux utilisateurs pour le cdma2000
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
48
24
Antennes adaptatives (1)
s Utilisation d’un réseau d’antennes
s Objectifs : adapter les coefficients wi pour améliorer le SIR (modification
du diagramme de rayonnement du réseau)
ðDiversité spatiale
s Adaptation des coefficients par filtrage adaptatif
s Alternatives pour la détection multi-utilisateurs
et la réjection d’interférences
s Diversité en émission : émission sur plusieurs antennes
ð la station mobile reçoit l’information à travers différents canaux dont les
statistiques d ’évanouissement sont différentes
08/06/2001
49
LASTI - ENSSAT
Antennes adaptatives (2)
Ÿ RAKE
2D : Combinaison de la diversité spatiale et des trajets
Filtre spatial
[Adachi98]
[Diouris95b]
[Diouris99]
c(t + τ L )
Combinaison MP
c(t + τ 1 )
Ÿ
Algorithme GSIC (Group Wise interference cancellation ) 3 antennes
s augmentation de la capacité de l ’ordre de 200%
s complexité 21.7 à 43.4 G ops/s [Murotake00]
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
50
25
Conclusions
s Station de base
ð Contraintes architecturales : flexibilité
ü support des différents standards (compatible GSM, GPRS, EDGE)
ü évolution du standard UMTS/IMT 2000
Ä Plate-Forme de conception composée de µP, DSP,
logique reconfigurable [Rabaey00], [Gatherer00 ], [Rifaat99]
ð Utilisation de techniques de réception avancées
ü détection multi-utilisateurs et suppression d’interférences
ü antennes adaptatives
Ä complexité élevée
Ø Augmentation de la capacité et de la taille des cellules
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
51
Conclusions
s Station mobile
ð Contraintes architecturales
ü coût
ü consommation
ü encombrement
faible
ð Utilisation de techniques de réception mono-utilisateur classiques ou
améliorées
ü complexité plus faible
ü séquences de code des autres utilisateurs non connues
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
52
26
Travaux en cours
s Spécification et simulation fonctionnelle sous SPW
ü Bibliothèque (W)CDMA
ü Chaîne de communication MS-BS
ü Récepteur mono-utilisateur (RR, RRC, estimateurs) simplifié
ü Récepteur WCDMA multi-utilisateur
s Estimation de la complexité des principaux blocs
s Adaptation au format de codage des données
s Prototypage sur le processeur Lx
ü Optimisation du code
ü Analyse de la configuration du Lx (ajout d'instructions, d'UF)
ü Accélérateur reconfigurable
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
53
Bibliographie (1)
[Ojanperä98]:
T Ojanperä, R Prassad, Wideband CDMA for third generation mobile communications, Artech
House Publisher, 1998
[Cameron97]:
A Cameron, Fixed Point Implentation of a multistage Receiver, Phd Thesis, Virginia
Polytechnic Institue 1997
[Teuscher98]:
C.M. Teuscher Low Power Receiver Design for portable RF applications: Design and
implementation of an Adaptative multiuser detector for an indoor Wideband CDMA
apllication, Phd Thesis University of california , Berkley, 1998
[Latva98]:
M. Lavta -Aho, Advanced Receivers for Wideband CDM, Phd Thesis OULU, 1998
[Juntti98]:
M. JUNTTI, Multiuser demodulation for DS-CDMA systems in fadding channes, OULU, 1998
[Moshavi96]
S. Moshavi, “Multi-User detection for DS-CDMA Communications,” IEEE Commun. Mag.,
pp. 124-136, Oct. 1996
[Diouris95a]
Doiuris J.F. Communications avec les mobiles. Cours IRESTE-SEII3-ME8, Octobre 95
[Diouris95b]
Doiuris J.F. Antennes Adaptatives. Cours DEA Électronique Université de Nantes, Octobre 95
[Diouris99]
Diouris J.F.Les Techniques de Diversité en Télécommunications Laboratoire SEI - IRESTE Nantes 1999
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
54
27
Bibliographie (2)
[Varanasi90]
M. K. Varanasi and B. Aazgang , “Multistage Detection in Asynchronous Code Division
Multiple-Access Communications,” IEEE Trans. Commun., vol. COM-38, no. 4, pp. 509-519,
April 1990.
[ETSI99-a]:
ETSI TS 125 211 V3.3.0 (2000-06) Universal Mobile Telecommunications System (UMTS);
Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD) (3G TS
25.211 version 3.3.0 Release 1999)
[ETSI99-b]:
ETSI TS 125 213 V3.3.0 (2000-06) Universal Mobile Telecommunications System (UMTS);
Spreading and modulation (FDD) (3G TS 25.213 version 3.3.0 Release 1999)
[Raqibul99]
Raqibul Mostafa and J. H. Reed Brief Overview of Air Interface for W-CDMA.
http ://monkey.ee.vt.edu/yufei/wcdma.html Mobile Portable Radio Research Group,
Virginia Polytechnic Institute and State University , Blacksburg, VA 24060, 1999
[Vasavada98]
Yash Vasavada. Overview of Wideband CDMA Standard
http ://monkey.ee.vt.edu/yufei/wcdma.html Mobile and Portable Radio Research Group,
Virginia Polytechnic Institute and State University , Blacksburg, 1998
[Dinan98]
Esmael H. Dinan and Bijan Jabbari Spreading Codes for Direct Sequence CDMA and
Wideband CDMA Cellular Networks IEEE Communication Magazine September 1998
[Rabaey00]
Rabaey J. Silicons Platforms for next generation Wireless systems What roles does
Reconfigurable Hardware play? FPL2000
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
55
Bibliographie (3)
[Adachi98]
Fumiyuki Adachi, Mamoru Sawahashi , and Hirohito Suda Wideband DS-CDMA for NextGeneration Mobile IEEE Communication Magazine September 1998Communications Systems
[Dahlman98]
Erik Dahlman, Bjorn Gudmundson, Mats Nilsson, and Johan Skold , UMTS and IMT-2000
Based on Wideband CDMA IEEE Communication Magazine September 1998
[Goldewski00-a] Goldewski Ph. Principes du CDMA. Accès multiple avec répartition par codage. ENST Avril
2000
[Goldewski00-b] Goldewski Ph . WCDMA Wideband CDMA : une interface radio pour la troisième génération .
ENST Avril 2000
[Gatherer00 ]
Gatherer A. and al. DSP-Based Architecture for mobile communications: Past, Present and
future IEEE Communication Magazine January 2000
[Rifaat99]
Rifaat R. and R. De Robertis DSPs Add Flexibility To Third Generation Base-Station System
Designs Wireless Systems Design, October 1999
[Murotake00]
David Murotake , John Oates, and Alden Fuchs Real-Time Implementation of a Reconfigurable
IMT-2000 Base Station Channel Modem. IEEE Communication Magazine February 2000
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
56
28
Bibliographie (4)
[Becker99]
J. Becker, T. Pionteck, M. Glesner DReAM: Dynamically Reconfugurable Architecture for
future Mobile Commmunication applications FPL 2000, Villach Austria, August 2000
[Jung99]
Peter Jung, J Plechinger, M-GOLD A multimode baseband platform for future
mobile terminals, 1999 IEEE Communication Theory Workshop 23-26 May 1999
Seascape Resort, Aptos, California.
[Chameleon00]: Chameleon Wireless Base Station Design Using Reconfigurable Communications
Processors, Chameleon Systems Inc. 2000
[Koula00]:
Dimitris Koulakiotis and A. Hamid Aghvami Data Detection Techniques for DS/CDMA
Mobile Systems A Review Personnal Communication Interactive June 2000
08/06/2001
LASTI - ENSSAT
57
29