MIMO-OFDM

Plan

IntroductionLes modulations multiporteusesAvantagesPrincipe MIMOAvantagesDéfinition du MIMO-OFDMSystème MIMO-OFDMTrame OFDMTechnique Space-Time

multiplexage spatial Space-Time coding

Avatages et limitationsApplicationsConclusion et perspectives

Introduction

Les télécommunications sans fil ont connu ces derniers temps de nombreux changements. A la téléphonie classique est venue s'ajouter de nombreux services comme Internet, la visio-conférence la visualisation de films…

Ces services ont pu être disponibles sur nos mobiles grâce à une évolution de la technologie.

Rapidement un problème de débit ou de portée s'est présenté.

solution qui permettra une

bonne gestion des ressources de fréquences ,de temps et d’espace disponibles.

Les modulations à porteuses multiples

Le principe des modulations à porteuses multiples consiste à paralléliser les données avant leur émission. De ce fait, le message initial est transmis sur plusieurs sous-porteuses de débit inférieur à celui initial. Toutes ces porteuses constituent une base orthogonale, afin de séparer les signaux de manière efficace à la réception.

OFDM

La modulation OFDM (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence) est une technique qui divise la bande de fréquence en N sous-canaux (ou sous-porteuses) orthogonaux et uniformes

Fréquence

Canal

Avantages

L’ajout de préfixes cycliques permet d’éliminer ou de limiter l’interférence intersymboles et de simplifier l’égalisation au récepteur.

Les effets des parcours multiples dû aux évanouissements sélectifs en fréquence sont réduits en divisant le spectre en N sous-porteuses ayant des évanouissements plats.

Le chevauchement en fréquence des sous-porteuses permet de conserver une grande efficacité spectrale.

simplicité de mise au point temporelles via IFFT et FFT

Principe du MIMO

Antennes multiples en transmission et en réception

Les données sont transmises sur des antennes de transmission multiples

Grâce aux parcours multiples, chaque antenne de réception reçoit une combinaison différente des symboles transmis

Si les combinaisons de symboles reçus sont suffisamment différentes, on peut différencier les flots de données et augmenter la capacité du système

MIMO

TX 1

TX 2

TX MT

RX 1

RX 2

RX MR

111

2 22

1

2

2

2

1

1

T

RR

T

R TM MM

M

M

M

h

h

h

h

h

h

h

h

h

H

H

Avantages

Les systèmes multi-antennaires ont évolué au cours du siècle dernier et sont en constante progression actuellement.

Leurs bénéfices sont multiples : Gain de densité Gain de diversité Multiplexage spatial

Gain de densité et de diversité

En utilisant plusieurs antennes, la sensibilité de détection du système multi-antennaire est augmentée ce qui accroît la portée du signal.

le gain de diversité est obtenu grâce aux différents trajets empruntés par les signaux atteignant plusieurs antennes ou partant de plusieurs antennes. Le canal de propagation fluctue suivant les conditions du milieu et les fréquences. Un signal émis à une certaine fréquence peut être fortement affaibli par le canal, ce qui est appelé un évanouissement. Le récepteur combine les répliques reçues du même signal plus ou moins affaibli sur chacune des antennes.

Multiplexage spatial

Le multiplexage spatial permet

d'augmenter le débit de la transmission

pour une même largeur de bande que le

système original sans augmenter la

puissance totale d'émission.

Définition MIMO-OFDM

Quand le signal OFDM produit est transmis par un certain nombre d'antennes pour réaliser la diversité ou une transmission à plus haut débit, on parle alors de MIMO-OFDM.

Principe

Comme tout autre système de communication, le système MIMO-OFDM a aussi un émetteur et un récepteur à la différence que les antennes sont plus qu'une tant à l’émission qu’à la réception.

Pour réaliser des gains en diversité, on envoie le même signal sur toutes les antennes

Si on veut augmenter la capacité du canal, on va envoyer des données différentes sur chaque antennes

Schéma d’un système MIMO-OFDM

Description

le message généré par la source est d’abord

transformé en une séquence binaire.

Idéalement nous désirons avoir le minimum

de bits possible. Cette opération de

conversion d’un signal analogique à un signal

numérique est assurée par un processus de

compression appelé le codeur source.

Description (suite)

la séquence binaire résultante est ensuite passée

au codeur canal. Le but du codeur canal est de la

protéger contre les effets du canal (bruits,

interférences, etc.). Ainsi, le codeur introduit d’une

façon contrôlée des bits de redondance qui

peuvent être utilisés au niveau du récepteur.

Ensuite, la séquence binaire passe à travers un

entrelaceur afin que la transmission soit plus

robuste aux atténuations du canal ;

Description (suite)

la séquence binaire entrelacée passe à

travers un modulateur numérique. Ce dernier

associe à chaque séquence de b bits un

symbole complexe.

Par exemple, nous citons la modulation

binaire de phase dite (BPSK), la modulation

d’amplitude en quadrature (QAM) ;

Description (suite)

les symboles complexes sont par la suite mappés afin

qu’ils soient transmis sur les nT antennes de transmission

et à travers les ressources orthogonales du canal. Comme

le système MIMO étudié considère la modulation OFDM,

nous disposons à l’entrée du canal de MnT échantillons à

émettre, ainsi l’utilisation d’un modulateur spatio-

temporel s’avère une bonne idée afin de profiter des

ressources en espace, temps et fréquence présentes.

Description (suite)

finalement, les symboles passent à travers le

modulateur OFDM avant d’être filtrés par le

filtre limiteur de bande.

le signal analogique résultant est transmis à

travers le canal radio, où il se trouve affecté

par les atténuations dûes aux réflexions et

aux réfractions du signal dans le milieu de

propagation.

Description (suite)

A la réception, le récepteur à antennes

multiples est constitué d’un filtre adapté au

filtre limiteur de bande utilisé à l’émission, du

démodulateur OFDM, du décodeur spatio-

temporel, du démodulateur numérique, du

décodeur canal et du décodeur source.

TX 1

TX 2

TX MT

RX 1

RX 2

RX MR

111

2 22

1

2

2

2

1

1

T

RR

T

R TM MM

M

M

M

h

h

h

h

h

h

h

h

h

H

H

L’équation du MIMO-OFDM

Le symbole MIMO-OFDM reçu de la nième sous porteuse et le mième symbole OFDM à la ième antenne s’écrit, après la FFT, comme suit:

Structure d’une trame MIMO-OFDM

trame

slot

Trame MIMO-OFDM

Chaque trame se compose de 10 slots.

Chaque slot se compose d’un 1 slot ‘preamble’

et 8 symboles OFDM.

le preamble est utilisé pour la synchronisation.

Chaque OFDM symbole d’un slot est attaché à

un intervalle de garde pour réduire les

intérférences entre symboles.

Space-Time Techniques

le système MIMO peut être mis en œuvre selon diverses façons: Data-rate maximization (spatial multiplexing). Diversity maximization (space-time coding)

Multiplexage spatiale

Multiplexage spatiale

D’après le schéma, nous constatons qu’avec deux antennes de chaque côté, quatre canaux distincts sont créés. Lorsqu’un paquet S1 est envoyé à partir de l’antenne « 1 E » à destination de « 1 R » et que le paquet S2 est envoyé de « 2 E » pour « 2 R », à la réception chaque antenne reçoit à la fois ce qui a été envoyé par « 1 E » et « 2 E » multiplié par un coefficient complexe en fonction de leur canal. Pour recomposer la trame il va falloir résoudre un système de deux équations à deux inconnues afin d’isoler S1 et S2. La façon dont on retrouve le signal émis est relativement simple grâce à l’OFDM

Space-Time Coding (STC)

Space-Time Coding (STC)

Au niveau de l’émission, dans la trame OFDM qui a été générée, l’émetteur va prendre les paquets de cette trame deux par deux. En réalité le système d’émission va envoyer d’un côté S1 et S2 sans les modifier et de l’autre côté il sera envoyé d’abord le conjugué de S2 et après le conjugué de S1 négatif.

Le système de réception va dans un premier temps, déterminer les coefficients complexes des canaux comme dans le SDM. Ensuite ce système va recevoir un premier couple S1 et le conjugué de S2 puis dans un second temps S2 et –S1*. Avec ces deux couples la trame émise va pouvoir être reconstituée de façon très sûre grâce un système de vérification entre les paquets S1 et S2 envoyés et leurs conjugués.

le MIMO-STBC envoie des signaux différents sur chaque antenne mais le principe du STBC est d’introduire une redondance d’information entre les deux antennes et ainsi d’améliorer la robustesse pour une même puissance d’émission mais sans gagner du débit.

Avantages

Limite les interferenceGain de diversitéAugmente le débitOptimisation de l’utilisation de la bande

passante

Limitations

Espacement entre les antennes doit être adéquat puisqu’il dépend du type de canal

Compléxité de l’émetteur et du récepteur.

Applications

Le MIMO avec le OFDM vont bientôt être utilisés dans la 4G.

Nortel Network est en train de mettre en place un nouveau concept : le HSOPA (high-speed OFDM packet access technology), qui incorpore le OFDM et MIMO.

Applications

Au japon, grâce au couplage MIMO/OFDM, la société DoCoMo, a réalisé des transferts de données à 2,5 Gbps. C'est 1000 fois plus rapide que les réseaux HSDPA qui sont aujourd'hui les réseaux mobiles les plus performant.

Conclusion

MIMO-OFDM offre une large bande efficace ce qui fait de lui un candidat potentiel pour les futurs systèmes d’accès à large bande sans fil.

Perspectives

MIMO-OFDM Research ideas

Application of CMDA in MIMO-OFDMLe développement d’algorithme perfomant

pour résoudre les systèmes complexes.Développer les technique de l’estimation du

canal MIMO.

Merci de votre attention