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1、1/43M.A. Khalighitude des systmes de communication multi-antennes ;capacit de canal et dtection itrativeMohammad Ali KHALIGHILaboratoire des Images et des Signaux (LIS)Directeur de thse : Mme G. Jourdain15 Octobre 20022/43M.A. KhalighiContexte du travail Combattre les effets gnants dans la communica

2、tions sans-fil (concept mono-utilisateur) Bruit Propagation multi-trajets3/43M.A. KhalighiContexte du travail (2) Propagation multi-trajets Interfrence entre symboles (IES)codage, galisation de canal Fading (vanouissement) petite chellecodage, techniques de diversit4/43M.A. Khalighi codes convolutif

3、sCodage Canal et galisationmetteur :Rcepteur : Entrelacement : pour viter les paquets d erreurs Mthodes de Dtection Itrative (Turbo)5/43M.A. KhalighiCombattre le Fading du Canal Diversit : fournir des copies du signal au rcepteur qui subissent des fadings indpendants. Rles du codage et de la diversi

4、t Diffrentes techniques de diversit : Diversit en temps, en espace, en frquence, et en polarisation6/43M.A. KhalighiTechniques de Diversit Spatiale Structures multi-antennes : MISO (Multiple-Inputs Single-Output) SIMO (Single-Input Multiple-Outputs) MIMO (Multiple-Inputs Multiple-Outputs)trs promett

5、euses au niveau du taux de transmission dinformationCondition : milieu riche en diffuseursExploitation des trajets multiples7/43M.A. KhalighiObjectifs tudier les bornes sur le taux de transmission dinformation des systmes MIMO dans des conditions particulires contributions de la thse :canal slectif

6、en frquenceconnaissance du canal lmetteurfading de Rice tudier la performance des techniques de dtection itrative dans des conditions non-idales contributions de la thse :sensibilit RSB biaissensibilit aux erreurs destimation du canal8/43M.A. KhalighiPlan tude de capacit des systmes MIMO Capacit des

7、 systmes MIMO avec connaissance du canal lmission Capacit des systmes MIMO avec fading de Rice Technique de turbo-dtection, introduction Performance des turbo-dtecteurs en connaissance imprcise du RSB Conclusions et perspectives9/43M.A. KhalighiPlan tude de capacit des systmes MIMO Notion de capacit

8、 dans les canaux avec fading Modle dun canal MIMO Expression de la capacit Comparaison avec la capacit du SIMO et MISO Capacit des systmes MIMO avec connaissance du canal lmission Capacit des systmes MIMO avec fading de Rice Technique de turbo dtection, introduction Performance des turbo-dtecteurs e

9、n connaissance imprcise du RSB Conclusions et perspectives10/43M.A. Khalighi Cas canal certain : capacit, une valeur certaine (canal en bande de base et temps discret) canal gain complexe h (X,b, et h complexes circulaires) : Notion de Capacit . Capacit d un canal La borne suprieure sur le taux de t

10、ransmission dinformation travers le canal (thorme de Shannon) Cas canal alatoire (avec fading) : capacit : une variable alatoire notion de capacit-contre-“outage” courbes de CCDF (fonction de rpartition complmentaire) de la capacitR C : Pe 011/43M.A. KhalighiModle dun canal MIMO Hypothses gnrales :

11、variations trs lentes du canal en temps canal parfaitement connu au rcepteur mais inconnu lmetteur pas de formation de voies canal non-slectif en frquence bruit additif blanc et Gaussien trajets multiples assez nombreux puissance mise PT Modle de canal temps discret (1 point par dure symbole) et en

12、bande de base12/43M.A. KhalighiExpression de la capacitH : matrice du canal dimension (MRMT) lments : hijlH,i : valeurs singulires de H M=min(MT ,MR) Le canal MIMO : dcompos en M sous-canaux indpendants, en parallle Capacit de la structure MIMO Foschini95, Raleigh-Jones99 :13/43M.A. KhalighiRsultats

13、Fading de Rayleigh, non-corrl, RSB=10dB, M=4( partir de 105 tirages au hasard de la matrice du canal)Fading de Rayleigh : milieu de propagation riche en diffuseurs, pas de trajet direct entre Tx et Rx.14/43M.A. KhalighiRsultatsFading de Rayleigh, non-corrl, Pout=0.01, RSB=10dB(canal inconnu lmission

14、, contrainte sur la puissance totale mise, PT)15/43M.A. KhalighiPlan tude de capacit des systmes MIMO Capacit des systmes MIMO avec connaissance du canal lmission Solution optimale de Water Filling Expression de capacit Rsultats de simulations : gain obtenu en capacit Capacit des systmes MIMO avec f

15、ading de Rice Technique de turbo dtection, introduction Performance des turbo-dtecteurs en connaissance imprcise du RSB Conclusions et perspectives16/43M.A. KhalighiCapacit du MIMO avec connaissance du canal lmission Rpartition optimale de puissance sur les antennes mettrices pour atteindre la capac

16、it maximum Solution Water Filling connue pour le cas mono-antenne en temps ou en frquence17/43M.A. KhalighiCapacit du MIMO avec connaissance du canal lmission (2)Capacit de Water Filling (WF)Comprendre le principe18/43M.A. KhalighiGain normalis par rapport la capacit sans WF Fading de Rayleigh, Pout

17、=0.01, MT=MR=MRsultats : Gain obtenu en capacitMT : nombre dantennes lmissionMR : nombre dantennes la rceptionGain de WF important pour des RSB faibles et un petit nombre dantennes19/43M.A. KhalighiFading de Rayleigh, Pout=0.01, RSB=10dB Rsultats : Gain obtenu en capacit (2)MT MR = 4MR MT = 420/43M.

18、A. KhalighiPlan tude de capacit des systmes MIMO Capacit des systmes MIMO avec connaissance du canal lmission Capacit des systmes MIMO avec fading de Rice Modle du canal Comparaison avec le cas Rayleigh Technique de turbo dtection, introduction Performance des turbo-dtecteurs en connaissance imprcis

19、e du RSB Conclusions et perspectives21/43M.A. KhalighiCapacit du MIMO avec fading de RiceFading de Rayleigh : milieu de propagation riche en diffuseurs pas de composante constante dans les coefficients du canal.Fading de Rice : il y a un trajet direct (constant et sans fading) de propagation (LOS) Q

20、uestions : Comment lexistence dune composante LOS affecte la capacit du MIMO ?Les structures MIMO toujours prometteuses ?Laugmentation de la capacit en ajoutant des antennes ?22/43M.A. Khalighia2+b2=1 : normalisation des lments de HRiceFacteur de Rice RF=a2/(a2+b2)=a2la contribution (limportance) de

21、 la composante LOS dans la transmission du signalModliser les canaux MIMO de Rice Hypothse : rseaux dantennes linaires, face face, RD on nglige les dphasages entre les signaux reus sur les antennes voisines23/43M.A. KhalighiRsultatM = MT = MR , Pout = 0.01 pour RF 1, RSB=10dB24/43M.A. KhalighiRsulta

22、ts (2)M = MT = MR , Pout = 0.01 pour RF 1, RSB=10dB25/43M.A. KhalighiRsultats (3)M = MT = MR , Pout = 0.01 pour RF 1, RSB=0dB26/43M.A. KhalighiDiscussion Le gain en capacit du MIMO par rapport celle du SISO : le gain du rseaune dpend pas du facteur de Rice (RF) le gain en diversit (Radoucissement du

23、 fading & multiplexage spatial)diminue avec une augmentation du RF ( cause de laugmentation de la corrlation entre les hij) Compromis entre RF (fading rduit) et RF (gain en diversit ) fading plus destructif pour RSB faibles pour des grands nombres dantennes, le facteur dominant est le gain en di

24、versit Le gain en capacit en augmentant le nombre dantennes, encore considrable pour RF 70%27/43M.A. Khalighi tude de capacit des systmes MIMO Capacit des systmes MIMO avec connaissance du canal lmission Capacit des systmes MIMO avec le fading de Rice Technique de turbo-dtection, introduction Perfor

25、mance des turbo-dtecteurs en connaissance imprcise du RSB Conclusions et perspectivesPlan28/43M.A. KhalighiMthodes de dtection itrative Mthode de turbo-dtection Douillard et al., 1995 ide prise du turbo-dcodage Le canal est considr comme un codeur convolutif non-rcursif, concatn en srie avec le code

26、ur du canal, souvent un code RSCgaliseur ou dcodeur entre et sortie pondres, SOISO (SOft-Input Soft-Output)Faire passer les informations extrinsques entre l galiseur et le dcodeur29/43M.A. KhalighiTurbo-dtection (TDET) Pas dinformation intrinsque (source quiprobable) Le rle de lentrelacement (et dse

27、ntrelacement) viter les paquets derreur dus au fading ou au mauvais fonctionnement de lgaliseur rduire la corrlation entre les chantillons derreur et ainsi empcher la diminution de la distance libre du codeC entrelaceur pseudo-alatoire de taille la plus grande possible30/43M.A. KhalighiTurbo-dtectio

28、n (2)Algorithmes SOISO considrs: Log-MAP, Max-Log-MAP, et SOVA MAP : Maximum A Posteriori dtection des symboles les plus probables algorithme optimal (au sens de min TEB) Log-MAP : avec approximation SOVA : Soft-Output Viterbi Algorithm bas sur le critre de maximum de vraisemblance dtection de la sq

29、uence la plus probable Max-Log-MAP : avec approximation31/43M.A. Khalighi Simulations deux canaux principalement considrs : B et C ProakisTurbo-dtection (3) quantifier au niveau de la difficult dgalisation: la perte du canal la perte du canal pour les canal B et C : 1,76dB et 5dB32/43M.A. Khalighitu

30、de de casTurbo-dtecteur Log-MAP, modulation MDP-2, entrelaceur 4096canal Bcanal C33/43M.A. Khalighi tude de capacit des systmes MIMO Capacit des systmes MIMO avec connaissance du canal lmission Capacit des systmes MIMO avec le fading de Rice Technique de dtection itrative, introduction Performance d

31、es turbo-dtecteurs en connaissance inexacte du RSB Conclusions et perspectivesPlan34/43M.A. KhalighiConnaissance du RSB Cas des turbo-dtecteurs Hypothse : canal estim parfaitement au rcepteur TDET Log-MAP besoin de connatre la variance du bruit sn2 dans le calcul des mtriques (algorithme forward-bac

32、kward de BCJR) nous parlons du RSB au lieu de sn2 TDET Max-Log-MAP et SOVA pas besoin de connatre le RSB35/43M.A. KhalighiSensibilit un RSB biaisCanal B, code RSC 1,7/5 modulation MDP-2, entrelaceur 4096, aprs 5 itrations36/43M.A. KhalighiSensibilit un RSB biais (2)Canal C, code RSC 1,7/5 modulation

33、 MDP-2, entrelaceur 4096, aprs 5 itrations37/43M.A. Khalighi Le turbo-dtecteur (TDET) Log-MAP peut perdre son intrt vis-vis du TDET Max-Log-MAP ou mme vis-vis du TDET SOVA pour un biais important sur le RSB Sensibilit plus importante pour des longueurs de contrainte grandes ou des canaux grande pert

34、e (difficiles galiser)Discussion Une estimation en ligne du RSB est ncessaire afin de conserver les performances du TDET log-MAP Hyp. : le canal est parfaitement estim au rcepteur estimer la variance du bruit sn238/43M.A. KhalighiEstimation en ligne du RSB, TDET Log-MAP IES sur les symboles reus Si

35、le RSB varie lentement (une hypothse logique la plupart du temps) faire TDET Max-Log-MAP pour une trame de symboles estimer la variance du bruit la fin de la dernire itrationFaire une annulation dinterfrence pour enlever lIESestimer le RSB partir de ces donnes lutiliser pour les trames suivantes o T

36、DET Log-MAP est utilis mettre jour le RSB assez frquemmentC performance obtenue satisfaisanteC complexit ajoute ngligeable39/43M.A. Khalighi tude de capacit des systmes MIMO Capacit des systmes MIMO avec connaissance du canal lmission Capacit des systmes MIMO avec le fading de Rice Technique de turbo dtection, introduction Performance des turbo-dtecteurs en connaissance imprcise du RSB Conclusions et perspectivesPlan40/43M.A. KhalighiConclusions Canaux MIMO avec fading de Rice si le facteur de Rice nest pas trop grand ( MR41/43M.A. Khal