-
MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE FERHAT ABBAS SETIF 1-
UFAS (ALGERIE)
MEMOIRE
Prsent la facult de Technologie
Dpartement dElectronique
Pour lobtention du Diplme de
MAGISTER
Option : Communication
Par
Mr. BOUAZIZ Samir
THEME
Rduction du PAPR du systme OFDM-MIMO en 4G
Soutenu le 07/01/2015 devant la commission dexamen :
Mr. A.KHELLAF Prof luniversit de Stif -1- Prsident
Mr. D. SLIMANI MCCA luniversit de Stif -1- Rapporteur
Mr. F.DJAHLI Prof luniversit de Stif -1- Examinateur
Mr. K.BENMAHAMED Prof luniversit de Stif -1- Examinateur
-
Sommaire
Table des
matires.........................................................................................................................
i
Table des
figures...........................................................................................................................
ii
Liste des symboles et
abrviation.............................................................................................
iii
Introduction gnrale
........................................................................................................
1
Chapitre I : Technologies des rseaux mobiles
I.1 Introduction 4
I.2 Historique 4
I.3 volution des Rseaux Mobiles 5
I.4 Dfinition de la 4me gnration des rseaux mobiles 7
I.5 Technologies 4G 8
I.5.1 Rseau WLAN (IEEE 802.11) 8
I.5.2 Rseau WiMAX 9
I.5.2.1 Introduction 9
I.5.2.2 IEEE 802.16m 10
I.5.3 LUMB 10
I.5.4 Long Term Evolution (LTE) 11
I.5.4.1 Introduction 11
I.5.4.2 Accs radio LTE 12
I.6 Lobjectif de la 4G 12
I.7 Conclusion 12
Chapitre II : La technique MIMO
II.1 Introduction 13
II.2 Phnomnes physiques caractristiques d'un canal de
propagation 13
II. 3 Notions de diversit 15
II. 3.1 Diversit temporelle 15
II.3 .2 Diversit frquentielle 16
II. 3.3 Diversit spatiale 17
-
II.4 Systme MIMO 18
II. 5 Les principes du MIMO 18
II.6 Modlisation d'un canal MIMO 21
II. 7 Le codage spatio-temporel 22
II. 8 Construction du Code spatio-temporel en bloc 23
II.9. Codage spatio-temporel dans Le cas MISO 24
II. 10. Codage spatio-temporel dans Le cas MIMO 26
II. 11 Analyse de performance 28
II.11. Capacits 29
II.11.1 Systme SISO 29
II.11. 2 Systme SIMO 30
II.11.3 Systme MIMO 30
II. Conclusion 32
Chapitre III : Association MIMO-OFDM
III.1 Introduction 33
III. 2 La modulation OFDM 33
III. 3 Historique 34
III. 4 Principe de la modulation OFDM 34
III. 5 Ralisation numrique des oprations de modulation et de
dmodulation 36
III. 6 Proprit dorthogonalit 38
III. 6.1 Notion mathmatique 39
III. 6.2 Orthogonalit des sous-porteuses en OFDM 39
III.7 Interfrences entre porteuses et symboles 40
III.8 Intervalle de garde 42
III.9 Avantages et inconvnients de lOFDM 43
III.10 Association MIMO-OFDM 44
III.11 Principe de lassociation MIMO et OFDM 44
III.12 Description signal MIMO et OFDM 46
III. 12 Conclusion 47
-
Chapitre IV : Rduction du facteur de crte PAPR
IV.1 Introduction 49
IV.2 Le PAPR des systmes OFDM 49
IV .3 Approximation de la distribution 51
IV.3. 1 Cas du PAPR des signaux OFDM sur-chantillonn 52
IV .4 Techniques de rduction du PAPR 54
IV. 5 Mthode de PTS (Partial Transmit Sequence) 55
IV.5.1 Introduction: 55
IV.5.2 Description de la mthode 55
IV .5.3 Description et performances 57
IV .6 Rduction du PAPR dans un contexte MIMO-OFDM 61
IV.6.1 Description 61
IV. 6.2 Application de la mthode PTS en MIMO-OFDM 62
IV. 6.3 Cooprative et Alternative PTS (C-A-PTS) 62
IV.6.3.1 Alternative PTS (A-PTS) 62
IV.6.3.2 Cooprative PTS (C-PTS) 63
IV.6.3.3 Description de l'approche C-A-PTS 63
IV.6.4 Rsultats et simulation 66
IV.7 Approche propose 68
IV.7.1 Application de l'algorithme propos sur un systme
MIMO-OFDM 69
IV.7.2. Rsultats et simulation 72
IV.8 Comparaison des rsultats 76
IV.9 Conclusion 77
Conclusion gnrale 78
Bibliographie 80
-
Ddicace
A
Mes parents qui je dois tout et dont
laffection, le dvouement et les
encouragements ont t pour moi le
meilleur gage de russite.
Mes frres et surs
Ma famille
Mes amis
Je ddie ce mmoire
Quils trouvent dans ce travail le
tmoignage de ma profonde gratitude.
-
Remerciement
Ce travail de recherche sest droul au sein du laboratoire du
Docteur: D. SLIMANI la Facult de la technologie, Universit
de
Stif.
Jadresse mes remerciement, en premier lieu, mon bon dieu
pour
la volont, la sant, le courage et la patience qui mavoir donn
pour
mener ce travail terme.
Je voudrais exprimer, par ce modeste travail, ma gratitude,
ma
reconnaissance, ma considration et mes grands remerciements
Monsieur D. SLIMANI, Maitre de Confrence l'Universit de
Stif,
davoir propos, suivi et corrig ce travail,, je vous remercie
chaleureusement pour le savoir que vous mavez enseign.
Je remercie trs sincrement Monsieur A. KHELLAF, Professeur
l'Universit de Stif, de mavoir fait lhonneur daccepter de
prsider le
jury de cette thse.
Je remercie vivement Monsieur F. DJAHLI, Professeur
l'Universit de Stif, et Monsieur K. BENMHAMED, Professeur
l'Universit de Stif, d'avoir accept dexaminer et de juger ce
travail.
Je remercie chaleureusement mes parents qui mont soutenu
tout
au long de mes tudes, parfois au prix de quelques sacrifices, et
sans
qui je naurais pas pu atteindre ce niveau.
Enfin, jexprime ma profonde reconnaissance mes frres et
surs, ma famille, mes amis et tous ceux qui ont contribu raliser
ce
travail
-
I
Liste des acronymes et abrviations
1G First Generation "Premire gnration des rseaux mobile"
2G Second Generation "Deuxime gnration des rseaux mobile"
3G Third Generation "Troisime gnration des rseaux mobile"
4G Forth Generation "Quatrime gnration des rseaux mobile"
1xEV-DO Evolution-Data Optimized
3GPP 3rd Generation Partnership Project
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
AGW Access Gateway
AP Access Point
A-PTS Alternative Partial Transmit Sequences
AT Access Terminal
Bc Bande de Cohrence
BER Bit Error Rate
BS Base Station
BSS Basic Service Set
C-A-PTS Cooperative and Alternative Partial Transmit
Sequences
CCDF Complementary Cumulative Distribution Function
CDMA Code Division Multiple Access
CDMA2000 Code Division Multiple Access 2000
C-PTS Cooperative Partial Transmit Sequences
DAB Digital Audio Broadcasting
dB Dcibels
DFT Discrete Fourier Tranform
DVB Digital Video Broadcasting
EPS Evolved Packet System
ESS Extended Service Set
FDD Frequency Division Duplex
FDM Frequency Division Multiplexing
-
II
FFT Fast Fourier Transform
FTTH Fiber To The Home
Gb/s Giga Bits per Second
GHz Giga Hertz
HiperLAN High Performance Radio Local Area Network
ICI Inter Carriers Interference
IDFT Inverse Discrete Fourier Tranform
IEEE Institut of Elecrical and Electronic Engineers
IES Interferences Entre Symboles
IFFT Inverse Fast Fourier Transform
IPTV Internet Protocol Television
ISI Inter Symbol Interference
Kb/s Kilo Bits per Second
LAN Local Area Network
LTE Long Term Evolution
MAQ Modulation d'Amplitude en Quadrature
MAN Metropolitan Area Network
Mb/s Mega Bits per Second
MIMO Multiple- Input Multiple- Output
MIMO-OFDM Multiple- Input Multiple- Output Orthogonal Frequency
Division
Multiplexing
MISO Multiple-Input Single-Output
MRC Maximum Ratio Combiner
NLOS Non Line Of Sight
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access
PAPR Peak to Average Power Ratio
PDA Personal Digital Assistant
PTS Partial Transmit Sequences
QoS Quality of Service
QPSK Quaternary Phase Shift Keying
-
III
RL Reverse Link
RRM Radio Resource Management
RSB Rapport Signal sur Bruit
Rx Receiver
SAE System Architecture Evolution
SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division Multiple Access
SDMA Space Division Multiple Access
SI Side Information
SIMO Single-Input Multiple -Output
SISO Single-Input Single-Output
SLM Select Mapping
SNR Signal to Noise Ratio
SRNC Session Reference Network Controller
STBC Space Time Bloc Coding
Tc Temps de Cohrence
TDM Time Division Multiplexing
TFDI Transforme de Fourier Discrte Inverse
Tx Transmitter
UIT Union Internationale des Tlcommunications
UMB Ultra Mobile Broadband
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
VoIP Voice over Internet Protocol
WAN Wide Area Network
WIFI Wireless Fidelity
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
x-DSL x-Digital Subscriber Line
-
Liste des Figures
Figure I.1 : volution du nombre dabonns mobiles travers le monde
............................ 5
Figure I.2 : Migration vers la 4G
..........................................................................................
6
Figure I.3 : Architecture des rseaux mobiles de La
4G...................................................... 7
Figure I.4 : Les diffrentes technologies daccs sans fil pour
lutilisateur 4G.................... 8
Figure I.5 : Mode Infrastructure du
WIFI.............................................................................
9
Figure I.6 : Architecture de
l'UMB.......................................................................................
11
Figure II.1: Puissance reue en fonction de la
distance........................................................
15
Figure II.2 : Diversit
temporelle..........................................................................................
16
Figure II.3 : Diversit
frquentielle.......................................................................................
16
Figure II.4 : Systme de transmission MIMO avec Nt metteurs et Nr
rcepteurs.............. 18
Figure II.5 : Schmas reprsentatifs du SISO, MISO, SIMO et
MIMO............................ 20
Figure II.6 : Le Systme
MIMO............................................................................................
21
Figure II.7 : Principe codage espace temps
D'Alamouti.......................................................
24
Figure II.8 : Schma d'un systme MISO 2x1avec codage
d'alamouti................................. 24
Figure II.9 : Schma d'un systme MIMO 2x2 avec codage
Alamouti................................ 27
Figure II.10 : Comparaison performance entre systme MIMO
Alamouti et MRC............. 29
Figure II.11 : Comparaison des capacits ergodiques pour
diffrents systmes: SISO,
SIMO et
MIMO..............................................................................................
31
Figure III.1 : Schma de principe du modulateur
OFDM..................................................... 36
Figure III.2 : Allure de lensemble des spectres des porteuses
dun symbole OFDM......... 36
Figure III.3 : Modulateur OFDM
numrique........................................................................
38
Figure III.4 : Dmodulateur OFDM
numrique..................................................................
38
Figure III.5 : Spectre en frquence dune trame OFDM :
reprsentation des sous-
porteuses constituantes, N = 4, T = 1 s
........................................................... 40
Figure III.6 : Propagation des trames OFDM sans intervalle de
garde : retards,
trajets multiples et
interfrences......................................................................
41
Figure III.7 : Insertion dun intervalle de garde en temps en
OFDM................................... 42
-
Figure III.8 : Schma Bloc d'un systme
OFDM..................................................................
43
Figure III.9 : Principe dun systme
MIMO-OFDM............................................................
45
Figure III.10 : Comparaison performances systme MIMO-OFDM et
SISO-OFDM......... 47
Figure IV.1 : Signal OFDM dans le domaine
temporel........................................................
50
Figure IV.2 : CCDF de signaux OFDM avec diffrents nombres de
sous-porteuses (N)..... 52
Figure IV.3 : Fonction de rpartition complmentaire du PAPR d'un
signal OFDM
N=256 porteuses pour diffrentes valeurs de facteurs de
sur-chantillonnage 53
Figure IV.4 : Effet du
sur-chantillonnage............................................................................
53
Figure IV.5: Comparaison
PTS-SLM....................................................................................
54
Figure IV.6 : Schma bloc de la mthode
PTS.....................................................................
55
Figure IV.7 : PTS avec diffrent nombre de
sous-blocs.......................................................
57
Figure IV.8 : Un exemple de rpartition adjacente en PTS de 8
sous-porteuses en 4 sous-
blocs................................................................................................................
59
Figure IV.9 : Illustration des diffrentes partitions des sous
blocs selon l'approche PTS:
(a) partition adjacente, (b) partition Pseudo-alatoire, (c)
partition entrelace 60
Figure IV.10 : Schma bloc de C-A-PTS avec 2 antennes
l'mission................................ 65
Figure IV.11 : les relations entre les deux coefficients de
pondration optimum des 2
antennes........................................................................................................
66
Figure IV.12 : Performances du PAPR pour les dfrentes approches
PTS........................ 67
Figure IV.13 : Influence de C-A-PTS sur les performances du
systme.............................. 68
Figure IV.14 : Schma bloc de la mthode propose pour un systme
SISO-OFDM.......... 69
Figure IV.15 : Schma bloc de la mthode propose pour un systme
MIMO-OFDM....... 70
Figure IV.16 : Rduction du PAPR en utilisant la mthode
propose.................................. 72
Figure IV.17 : Influence de la mthode propose sur les
performances du systme............ 73
Figure IV.18 : Comparaison mthode propose avec A-PTS, C-PTS et
C-A-PTS.............. 74
Figure IV.19 : Comparaison mthode propose avec
C-A-PTS........................................... 74
Figure IV.20 : Comparaison BER/SNR pour la mthode propose avec
C-A-PTS............. 75
Figure IV.21 : Comparaison BER/Eb_N0 pour la mthode propose avec
C-A-PTS......... 75
-
Introduction gnrale
1
Introduction gnrale
Le monde des communications est prsentement un carrefour trs
important de son
volution. C'est particulirement vrai en ce qui concerne les
communications sans fil, dont
l'importance ne cesse de s'accrotre trs rapidement cause des
nombreuses avances dans le
domaine, et de leur accessibilit au grand public. De plus, grce
la miniaturisation des
technologies, leur performance a augment, et continuera
d'augmenter un rythme effrn.
Les secteurs de la communication sans fil et de la communication
mobile constituent en ce sens
des dfis importants. Au fil du temps, plusieurs gnrations se
sont succd afin d'amliorer le
dbit et la capacit tout en maintenant une qualit de service
apprciable. Le monde sans fil est
ainsi pass par la modulation analogique avant d'adopter
dfinitivement la modulation
numrique. L'volution dans ce domaine se fait trs rapidement: une
nouvelle gnration voit
peine le jour que des recherches sont faites sur la prochaine.
La raison en est fort simple:
l'augmentation du nombre d'utilisateurs de services sans-fil est
presque exponentielle, et chacun
de ces utilisateurs demande toujours plus de bande passante. En
effet, l'origine, on se
contentait de transmettre le strict ncessaire pour qu'il y ait
communication, c'est- dire la voix.
Toutefois maintenant, on transmet maintenant des donnes rseau,
de la voix, l'internet, des
fichiers audio, vido... Nous voyons donc que l'volution de ce
domaine n'est pas prte de
s'arrter, ni mme de ralentir.
Au cours des dernires annes, des systmes utilisant la modulation
OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing [1], [2]) ont t dvelopps et
perfectionns. Cette technique
est aujourdhui implmente dans les standards IEEE 802.11n, IEEE
802.16e ou WiMAX et
bien sr le LTE et LTE-Advanced. Les systmes OFDM sont
particulirement apprcis parce
qu'ils rsistent bien aux dformations causes par le canal.
l'OFDM, nous dsirons jumeler les avantages des systmes plusieurs
antennes. Nous
appelons ces systmes MIMO (multi-input multi-output) [3], [4],
et ils sont tudis de plus en
plus. Il s'agit d'utiliser plusieurs antennes l'mission et la
rception, afin de maximiser le
nombre de canaux diffrents, ce qui permettrait de diminuer le
taux d'erreurs ou d'augmenter le
dbit du transfert de donnes, selon la configuration choisie.
Comme toutes les autres techniques, la modulation
multi-porteuses prsente des avantages ainsi
que des inconvnients. Les avantages concernent principalement la
robustesse du signal vis--
vis du canal multi-trajet avec vanouissement et l'encombrement
spectral optimal.
-
Introduction gnrale
2
Un des inconvnients est reprsent par les fortes fluctuations en
amplitude de l'enveloppe du
signal modul et donc par des variations importantes en puissance
instantane. Le Peak-to-
Average Power Ratio (PAPR) qui prend en compte ces variations en
puissances, est un
paramtre indispensable dans la caractrisation des modulations
enveloppe.
Ce mmoire est divis en quatre chapitres:
Le premier chapitre prsente le fondement thorique des rseaux
mobiles et plus
prcisment le concept de la nouvelle gnration attendue dans le
domaine des tlcoms "4G".
Nous dcrirons quelques technologies de communication mobile
actuelles candidates cette
nouvelle gnration comme le WLAN (Wireless Local Area Network),
WiMAX mobile, le
UMB (Ultra Mobile Broadband) et le LTE (Long Term
Evolution).
Le deuxime chapitre est consacr l'tude des techniques de
transmission multi-
antennaires MIMO (Multiple Input Multiple Output) avec ces
diffrentes configurations SISO,
SIMO, MISO et MIMO. On va aborder plus particulirement les
techniques de diversit soit en
rception o en mission en rappelons le codage spatio-temporel
d'Alamouti, une comparaison
sera faite entre elles. Finalement, la capacit des systmes
multi-antennaires est tudie afin de
dterminer les dbits thoriques quon peut attendre de ces
systmes.
Ce chapitre donne donc les bases pour la description d'un systme
MIMO-OFDM qui sera
prsent dans le chapitre suivant ainsi que la problmatique traite
dans le dernier chapitre de
cette thse.
Le 3me chapitre traite l'association de la technique MIMO avec
la technique de
modulation multi-porteuses OFDM. Nous commenons par une
prsentation dtaille de la
modulation multi-porteuses OFDM. Nous abordons son principe, son
historique ainsi que sa
description gnrale avec ses avantages et ses inconvnients.
Nous parlons d'un systme de transmission bas sur la modulation
OFDM et on explique
comment l'OFDM combat les interfrences ISI/ICI dans un canal
trajets multiples. Ensuite
nous dcrirons la combinaison MIMO-OFDM.
Les techniques bases sur lassociation des modulations porteuses
multiples et de MIMO sont
aujourdhui, reconnues comme des solutions fort potentiel pour
les futurs systmes de
radiocommunication. La combinaison MIMO-OFDM permet dallier les
avantages des deux
mthodes.
-
Introduction gnrale
3
Le 4me chapitre est consacr l'tude de la rduction du facteur de
crte PAPR dans
un contexte OFDM et MIMO-OFDM. Un aperu sur l'ensemble des
systmes de rduction de
PAPR est d'abord donn. Par la suite, on fera une tude
approfondie de l'approche Partial
Transmit Sequence (PTS) en tant que solution possible ce
problme. Cette mthode a connu
plusieurs amliorations afin de rduire sa complexit. Nous avons
tudi la cooprative et
alternative PTS (C-A-PTS), ainsi que nous avons propos un nouvel
algorithme pour la
rduction du PAPR dans un systme MIMO-OFDM. Des rsultats de
simulation seront
respectivement prsents.
Enfin une conclusion gnrale termine ce mmoire et ainsi que des
futures
perspectives dans ce domaine.
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
4
I. 1 Introduction
Toujours en cours de recherche et de standardisation, le rseau
4G (4me gnration) est
propos comme future gnration des rseaux mobiles aprs la 3G (3me
gnration). Ce rseau
a galement pour objectif dabolir les frontires de la mobilit.
Avec le rseau 4G, un
utilisateur pourra se connecter o quil se trouve : lintrieur des
btiments avec les
technologies Bluetooth, UWB ou Wifi, l'extrieur (dans la rue et
les lieux publics) avec
lUMTS ou le WiMAX En gnral, le passage dun rseau lautre
deviendra transparent
pour lutilisateur. Les dbits supposs sont entre 20 et 100 Mb/s
longue porte et en situation
de mobilit, et 1 Gb/s courte porte vers des stations fixes. Par
dfinition, la 4G assure la
convergence de la 3G avec les rseaux de communication radio
fonds sur le protocole IP. La
connexion devra tre possible quel que soit le mode de couverture
[5].
Dans ce chapitre nous aborderons les notions gnrales des rseaux
mobiles et plus prcisment
celles de la future gnration la 4G.
I. 2 Historique
En lespace dune vingtaine dannes, lusage des services de
communications mobiles
a connu un essor remarquable. La figure suivante illustre
lvolution du nombre dabonns
mobiles au regard de la population mondiale : on compte fin 2011
prs de 6 milliards
dabonns travers le monde, soit 87 % de la population mondiale
[6]. Cest vritablement un
nouveau secteur de lindustrie mondiale qui sest cr, regroupant
notamment constructeurs de
circuits lectroniques, constructeurs de terminaux mobiles,
constructeurs dinfrastructures de
rseaux, dveloppeurs dapplications et de services et oprateurs de
rseaux mobiles.
Conues lorigine pour offrir un service de tlphonie mobile
uniquement, les technologies de
communications radio mobiles ont considrablement volu et
permettent dsormais une
connexion haut-dbit en situation de mobilit. Les rseaux mobiles
compltent ainsi les rseaux
daccs rsidentiels tels que x-DSL (x-Digital Subscriber Line) et
FTTH (Fiber To The Home)
pour laccs haut-dbit Internet. Les utilisateurs de terminaux
mobiles peuvent naviguer sur le
Web, utiliser leurs applications et services prfrs, consulter
leurs courriels, tlcharger des
vidos, de la musique, regarder la tlvision, partager des photos,
tout cela sur le mme
terminal et en mobilit. Ainsi, cette dernire nest plus un frein
laccs aux contenus
numriques. Dans certains pays dpourvus de rseau fixe fiable et
dvelopp, les rseaux
mobiles se substituent mme aux rseaux rsidentiels et sont
lunique moyen daccder
Internet.
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
5
Figure I.1: volution du nombre dabonns mobiles travers le
monde
I. 3 volution des rseaux mobiles
Lhistoire des rseaux mobiles est relativement rcente, le premier
rseau mis en service
tait dj bas sur le concept de motif cellulaire. Cette technique
est une composante
technologique cl des rseaux mobiles car elle permet de rutiliser
les ressources du rseau
daccs radio sur plusieurs zones gographiques donnes appeles
cellules. une cellule est
ainsi associe une ressource radio (une frquence, un code) qui ne
pourra tre rutilise que
par une cellule situe suffisamment loin afin dviter tout conflit
intercellulaire dans
lutilisation de la ressource. Conceptuellement, si une cellule
permet dcouler un certain
nombre dappels simultans, le nombre total dappels pouvant tre
supports par le rseau peut
tre contrl en dimensionnant les cellules selon des tailles plus
ou moins importantes. Ainsi, la
taille dune cellule situe en zone urbaine est habituellement
infrieure celle dune cellule
situe en zone rurale. Les rseaux mobiles sont tous bass sur ce
concept de cellule, cest
pourquoi ils sont aussi appels rseaux cellulaires.
Lhistoire des rseaux mobiles est jalonne par trois tapes
principales, auxquelles on
donne couramment le nom de gnration. On parle de la premire,
deuxime, troisime,
quatrime et cinquime gnration de rseaux mobiles, gnralement
abrges respectivement
en 1G, 2G ,3G ,4G et 5G(en cours d'tude). Ces cinq gnrations
diffrent principalement par
les techniques mises en uvre pour accder la ressource radio.
Lvolution de ces techniques
est guide par la volont daccrotre la capacit ainsi que les dbits
offerts par le systme dans
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
6
une bande de frquences restreinte. En effet, les frquences sont
des ressources trs rares car
convoites par de multiples applications (tlvision, radio,
faisceaux hertziens, liaisons
satellites, rseaux privs, communications militaires, etc.).
Figure I.2: Migration vers la 4G
La premire gnration des systmes de communication mobiles sans
fil 1G a t
introduite dans les annes 70 et la deuxime gnration 2G dans les
annes 80 ont t
principalement destine la transmission de la voix. Les premiers
systmes avaient utilis la
modulation de frquence analogique alors que la seconde avait
utilis des techniques de
communication numrique avec multiplexage temporel (TDM),
multiplexage en frquence
(FDM) ou le Code Division Multiple Access (CDMA). Les systmes
sans fil de troisime
gnration qui sont juste introduites dans les marchs mondiaux
offrent des dbits de donnes
beaucoup plus levs, et permet des amliorations significatives
par rapport aux systmes 2G.
Les systmes sans fil 3G ont t proposes pour fournir des services
vocaux, de
radiomessagerie et fournir des interactifs multimdias, y compris
l'accs linternet, la
tlconfrence et d'autres services [7].
Toutefois, ces systmes offrent un rseau (WAN) large de
couverture tendue, de dbit de
384 kbps 2 Mbps. Ainsi la prestation de services large bande
serait l'un des principaux
objectifs des systmes sans fil 4G.
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
7
Larchitecture des rseaux de mobiles de la 4G sont illustres
ci-dessous :
I. 4 Dfinition de la 4me gnration des rseaux mobiles
La dfinition de la 4G a volu comme une nouvelle vague defforts
de donnes de
commercialisation des mobiles qui se dplace le terme dans l'il
du public diffrencier les
marques. Lunion internationale des tlcommunications (UIT), qui
supervise le
dveloppement de la plupart des normes de donnes cellulaires, a
rcemment publi une
dclaration soulignant que la 4G terme n'est pas dfini. En
rponse, les oprateurs mobiles avec
des architectures 3G avancs a commenc la commercialisation des
services 4G. De toute
vidence, les ingnieurs ne veulent pas du commerant d'usurper la
vision d'une amlioration
d'un ordre de grandeur chaque gnration d'architectures
cellulaires, encore, les commerants
veulent tirer parti de la dernire tendance, tandis que cela
semble encore sotrique [8], les
diffrentes technologies sans fil sont reprsentes, dans la figure
suivante :
Figure I.3: Architecture des rseaux mobiles de la 4G.
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
8
I. 5 Technologies 4G
I. 5.1 Rseau WLAN (IEEE 802.11)
IEEE 802.11 [9] ou WIFI est un standard international dcrivant
les caractristiques du
rseau LAN sans fil (WLAN). Il connecte des ordinateurs
portables, des quipements de
bureau, des quipements personnels (PDA) en crant un rseau sans
fil couvrant un rayon de
dizaines de mtres et tolrant une mobilit trs petite vitesse.
IEEE 802.11 dfinit deux technologies, le mode infrastructure
divis en deux architectures :
Larchitecture BSS (Basic Service Set) : compose dune seule
cellule couverte par un
seul point daccs (AP) qui est lintermdiaire permettant lchange
dinformations
entre plusieurs stations.
Larchitecture ESS (Extended Service Set) : compose de plusieurs
points daccs
connects par un systme de distribution, et formant un large
rseau compos de
plusieurs cellules.
Figure I.4: Les diffrentes technologies daccs sans fil pour
lutilisateur 4G.
MBS 60
MBS 40
BLR
WMAN Quasi cellulaireWLAN
Wi-Fi
IEEE 802.11a
IEEE 802.11g
Hiper LAN2
EDGE
WWAN
UMTS
GPRS
Satellite
S-UMTS
DVB-S
Broadcasting
DVB-T
DAB
Bluetooth
WPAN
Utilisateur
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
9
Le deuxime mode dfini par le WIFI est le mode Ad-Hoc qui permet
lchange direct des
informations entre les stations sans obligation de passage par
le point daccs.
Larchitecture du mode infrastructure est illustre dans la figure
ci-dessous :
Figure I.5: Mode Infrastructure du WIFI
I.5.2 Rseau WiMAX
I.5.2.1 Introduction
Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
(802.16-2004) ainsi
que le WiMAX mobile (802.16e) [10], [11] est une solution pour
des rseaux MAN sans fil.
En utilisant un accs WiMAX, on peut atteindre thoriquement un
dbit jusqu 70 Mb/s avec
une distance de 50 km. Le WiMAX couvre des zones gographiques
importantes sans la
contrainte d'installation dinfrastructures coteuses pour faire
parvenir la connexion jusqu'
l'utilisateur. Le premier lment de l'architecture WMAN est la
station de base (BS) qui couvre
une certaine zone gographique o se situent des utilisateurs
immobiles ou en mouvement
relativement lent qui communiquent avec la BS selon le principe
du point multipoint.
Ce rseau peut fournir des dbits importants et un passage lchelle
en raison des capacits de
canal flexibles. Il offre une couverture importante, des
services avec des exigences de QoS,
ainsi qu'une scurit importante.
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
10
I.5.2.2 IEEE 802.16m
IEEE 802.16m [12], est une amlioration du WiMAX (802.16-2004) et
du WiMAX
mobile (802.16e) assurant la compatibilit avec les deux systmes.
Les dbits thoriques
proposs par cette version atteignent 100 Mb/s en situation de
mobilit, et 1 Gb/s quand la
station abonne est fixe. Le systme 802.16m peut oprer dans des
frquences radio infrieures
6 GHz. IEEE 802.16m utilisera la technologie MIMO (Multiple
Input / Multiple Output)
comme le Mobile WiMAX en proposant damliorer la technologie
d'antenne pour obtenir une
bande passante plus grande. On peut voir le 802.16m comme une
technologie qui profite des
avantages de la 3G et du 802.16 pour offrir un ensemble de
services trs haut dbit
(Streaming vido, IPTV, VoIP).
I. 5.3 LUMB
LUMB (Ultra Mobile Broadband) [5] ou plus exactement CDMA2000
1xEV-DO
Revision C est le nom commercial de la prochaine version de la
famille CDMA. Avec la
premire rvision A avec le CDMA, le dbit offert tait de 450 800
Kb/s vers des points fixes
uniquement. Ensuite, avec la rvision B il y avait une
amlioration des dbits jusqu 46,5
Mb/s. La dernire rvision C propose ajoute la gestion de la
mobilit de lutilisateur en grande
vitesse et offre des dbits thoriques lordre de 288 Mb/s en voie
descendante, et 75 Mb/s en
voie montante. Elle propose aussi un environnement rseau qui se
repose sur le principe de
tout-IP et dispose de passerelles permettant linterconnexion
avec les rseaux de la famille
3GPP.
L'UMB repose sur une mthode daccs de type OFDMA (Orthogonal
Frequency Division
Multiple Access) utilisant des mcanismes sophistiqus de contrle
et de signalisation, une
gestion fine des ressources radio (RRM : Radio Resource
Management), une gestion adaptative
des interfrences des liens retour (RL : Reverse Link) et la
technique FDD (Frequency Division
Duplex). Elle utilise aussi des techniques avances dantennes
comme MIMO (Multiple In
Multiple Out), SDMA (Space Division Multiple Access), et
formation des faisceaux, tout en
restant compatible avec les normes antrieures.
Les lments du rseau et les interfaces formant larchitecture de
lUMB sont :
Access Terminal (AT) : cest le priphrique sans fil compatible
avec lUMB.
Access Gateway (AGW) : cest un routeur qui prsente le premier
point de
rattachement au rseau IP.
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
11
Session Reference Network Controller (SRNC) : il est responsable
du maintien de la
rfrence de la session avec lAT. Il est responsable aussi de la
prise en charge de la
gestion du statut IDLE de lAT, et de la fourniture des fonctions
de contrle de Paging
quand lAT.
Larchitecture de lUMB est prsente ci-dessous :
I. 5.4 Long Term Evolution (LTE)
I.5.4.1 Introduction
LTE [13] est la norme de communication mobile la plus rcente qui
est propose par
lorganisme 3GPP dans le contexte de la 4G. Comme lIEEE 802.16m,
elle propose des dbits
levs pour le trafic temps-rel, avec une large porte.
Thoriquement, le LTE peut atteindre un
dbit de 50 Mb/s en lien montant et 100 Mb/s en lien
descendant.
En ralit, lensemble de ce rseau sappelle EPS (Evolved Packet
System), et il est compos
des deux parties :
Le rseau volu daccs radio LTE.
Le rseau cur volu appel SAE (System Architecture Evolution).
eBS
AT 1xEV-DO
BTS
EV-DO RNC/AN
SRNC
Packet-switeched Domain
Packet-switeched Domain
AGW
PDSN
HA
PCRF
UMB
1xEV-DO
Internet/Internet
IMS
AAA
Figure 1.9 Architecture de lUMB.Figure I.6: Architecture de
l'UMB
-
Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G
12
Le seul inconvnient de cette nouvelle technologie est
linstallation de ses nouveaux
quipements qui sont diffrents de ceux des normes prcdentes, et
le dveloppement des
terminaux adapts.
I.5.4.2 Accs radio LTE
Pour offrir des dbits levs le LTE emploi la technologie OFDMA
(Orthogonal
Frequency Division Multiple Access) dans le sens descendant, et
le SC-FDMA (Single Carrier
- Frequency Division Multiple Access) dans le sens montant [14].
Le LTE respecte les dlais
requis par le trafic temps-rel. Le LTE respecte les dlais requis
par le trafic temps-rel. Cette
technologie prend en charge la mobilit des utilisateurs en
excutant le Handover une vitesse
allant jusqu 350 km/h.
Le LTE a pris en charge linterconnexion et linteroprabilit avec
les normes 2G et 3G, et les
rseaux CDMA-2000.Contrairement la 3G qui ncessite dallouer une
bande de frquence de
5 MHz, le LTE propose plusieurs bandes de frquences allant de
1.25 jusqu 20 MHz. Cela lui
permettra de couvrir de grandes surfaces.
I. 6 Lobjectif de la 4G
La 4G vise amliorer lefficacit spectrale et augmenter la capacit
de gestion du
nombre de mobiles dans une mme cellule. Elle tente aussi doffrir
des dbits levs en
situation de mobilit et offrir une mobilit totale lutilisateur
en tablissant linteroprabilit
entre diffrentes technologies existantes. Elle vise rendre le
passage entre les rseaux
transparent pour lutilisateur, viter linterruption des services
durant le transfert
Intercellulaire, et basculer lutilisation vers le tout-IP.
I.7 Conclusion
Les rseaux de quatrime gnration posent une multitude de
problmes, mais comme
jai pu voir dans cette tude bibliographique, il y a une
multitude darchitectures et protocoles
qui essayent de les rsoudre. Dans le cadre de la 4me gnration de
mobile (4G), plusieurs
technologies daccs sans fil sont prsentes lutilisateur. Ce
dernier veut pouvoir tre
connect au mieux, nimporte o, nimporte quand et avec nimporte
quel rseau daccs. Pour
cela, les diffrentes technologies sans fil, doivent coexister de
manire ce que la meilleure
technologie puisse tre retenue en fonction du profil de
lutilisateur et de chaque type
d'application et de service quil demande.
-
Chapitre II: La Technique MIMO
13
II. 1 Introduction
Les communications sur le canal radio-mobile se sont fortement
dveloppes ces
dernires annes, aussi bien en termes de nombre dutilisateurs que
de dbit par utilisateur.
Ceci entrane la saturation des ressources radiofrquence dans les
lieux forte densit de
population.
Ds lors, il existe une forte demande pour augmenter lefficacit
spectrale de ces
communications. Par ailleurs, les transmissions via le canal
radio-mobile sont fortement
perturbes par les vanouissements du signal, d la fois aux
trajets multiples et aux
interfrences entre symboles.
Ainsi, pour pallier ces inconvnients, une solution est tudie
depuis quelques annes. Il sagit
dune architecture de transmission base sur lutilisation de
plusieurs antennes lmission et
la rception. Ces architectures, dites MIMO (Multiple-Input
Multiple-Output), ont t
dveloppes par les laboratoires Bell en 1997 [15], [16]. Elles
permettent datteindre la fois
de trs hautes efficacits spectrales et de lutter efficacement
contre les vanouissements du
signal. Lide gnrale est de tirer profit de la dimension spatiale
du canal et dexploiter les
trajets multiples plutt que de les supprimer.
II. 2 Phnomnes physiques caractristiques d'un canal de
propagation
Dans un systme de transmission mono antennaire SISO, les
diffrents obstacles
prsents entre l'metteur et le rcepteur (vallonnement du terrain,
btiments, vgtation...)
entranent des perturbations du signal de diffrentes natures. Ces
perturbations sont lies aux
phnomnes physiques mis en jeux, savoir la rflexion sur les
surfaces lisses, la transmission
(ou rfraction) travers les parois, la diffraction par les artes
ou les sommets et la diffusion
par les vgtaux ou les surfaces rugueuses. La direction de l'onde
ainsi que l'amplitude, la phase
et la polarisation sont affectes par ces phnomnes qui gnrent des
trajets multiples du signal
entre l'metteur et le rcepteur. De plus, de faon proportionnelle
la vitesse avec laquelle le
mobile se dplace, des dcalages frquentiels appels dcalages
Doppler sont introduits sur
chaque trajet arrivant sur l'antenne de rception et conduisent
un spectre Doppler qui affecte
le signal en rception [17]. Ce phnomne de trajets multiples
dtermine les principales
proprits du canal de propagation radiolectrique savoir:
la variabilit temporelle due aux modifications dynamiques de
l'environnement de
propagation ;
-
Chapitre II: La Technique MIMO
14
la variabilit spatiale qui traduit un comportement diffrent du
canal de propagation
lorsque l'metteur et le rcepteur sont mobiles. Elle se traduit
par les variations grande
chelle et petite chelle du signal (slow and fast fadings) ;
la slectivit en frquence directement lie au phnomne de
multi-trajets et illustre
par la rponse impulsionnelle ou la fonction de transfert du
canal selon que l'on se place
dans l'espace des temps ou des frquences.
Dans un environnement de propagation quelconque, les diffrentes
rpliques du signal
gnres par les multi-trajets sont plus ou moins corrles en temps,
en frquence ou dans
l'espace et ne subissent pas les mmes affaiblissements si elles
sont peu corrles. L'utilisation
conjointe d'un rseau d'antennes l'mission et la rception et la
mise en uvre des
traitements adapts permettent de tirer partie de ces diffrentes
diversits. Comparativement
aux techniques SISO, les techniques MIMO exploitent avant tout
une dimension
supplmentaire du canal de propagation : la dimension spatiale
qui peut tre caractrise par la
corrlation spatiale dans le canal. La corrlation spatiale du
canal dpend du degr de
corrlation en mission d'une part et en rception d'autre part.
Elle est fonction de facteurs tels
que l'espacement entre les antennes, les angles d'arrive et
l'talement angulaire des signaux
intimement relis la distribution des obstacles dans le canal de
propagation. Les variations de
polarisation du signal influent galement sur le degr de
corrlation du canal.
Les phnomnes prcdemment prsents modifient le signal transmis
[18]. De
nombreuses rpliques de ce signal sont ainsi cres. Celles-ci sont
plus ou moins retardes
selon les longueurs des trajets effectus. Ds lors, elles sont
plus ou moins attnues selon la
distance parcourue et selon les phnomnes de base rencontrs. A la
rception, ces rpliques se
combinent de faon constructive ou destructive donnant naissance
des vanouissements,
reprsents sur la figure II.1.
Les systmes de radiocommunications mobiles, que ce soit
lintrieur ou lextrieur des
btiments, sont ainsi soumis aux distorsions induites par les
trajets multiples. Cependant dans le
cas NLOS, les trajets multiples vitent linterruption de la
liaison entre lmetteur et le
rcepteur.
-
Chapitre II: La Technique MIMO
15
Figure II.1 : Puissance reue en fonction de la distance
II. 3 Notions de diversit
La diversit est utilise dans les systmes de transmission pour
combattre
lvanouissement petite chelle caus par les trajets multiples. En
effet, si plusieurs rpliques
de linformation sont reues par des liaisons dont les
vanouissements respectifs sont
indpendants les uns des autres, il y a une trs forte probabilit
pour que lune de ces liaisons
au moins ne subisse pas de fortes attnuations augmentant ainsi
la fiabilit de la liaison. La
diversit se rvle donc tre un outil trs puissant pour combattre
les vanouissements et les
interfrences entre canaux de transmission, et permet notamment
daugmenter la capacit et la
couverture des systmes radios. Les trois formes de diversit
traditionnellement exploites en
communications numriques sont la diversit temporelle, la
diversit frquentielle et la
diversit spatiale [19].
II. 3.1 Diversit temporelle
La diversit temporelle est utilise pour combattre les
vanouissements slectifs en
temps, et consiste mettre plusieurs rpliques du signal (ou des
versions redondantes) dans
des intervalles temporels spars dau moins le temps de cohrence
du canal Tc (figure II.2).
Ce type de diversit est obtenu par lutilisation conjointe dun
entrelaceur et dun code
-
Chapitre II: La Technique MIMO
16
correcteur derreur, ou encore par demande de rptition
automatique. Le principal dsavantage
de ce procd est bien sr le retard induit par la diversit, et la
baisse de dbit utile.
II. 3.2 Diversit frquentielle
La diversit frquentielle est efficace lorsque les vanouissements
du canal sont
slectifs en frquence, et revient mettre le mme signal (ou des
versions redondantes) sur
plusieurs frquences porteuses, dont lcartement frquentiel est
dau moins la bande de
cohrence du canal Bc (figure II.3). La diversit frquentielle
peut par exemple tre exploite
par lutilisation dune modulation multi-porteuse que nous allons
prsenter dans le chapitre
suivant.
Figure II .3: Diversit frquentielle (Le mme signal est transmis
sur plusieurs intervallesfrquentiels)
S(t)
S(t) W
Temps
Frquence
Bc
Figure II.2 : Diversit temporelle (Le mme signal est transmis
sur plusieurs
intervalles temporels)
-
Chapitre II: La Technique MIMO
17
II. 3.3. Diversit spatiale
Dans ce travail, nous nous intressons plus particulirement la
diversit spatiale, ou
diversit dantenne. Elle consiste mettre ou recevoir linformation
par plusieurs antennes,
spares dans lespace dau moins la distance de cohrence, qui
correspond la sparation
minimale des antennes garantissant des vanouissements
indpendants et dpend donc de
langle de dpart et/ou darrive des multi-trajets. Cette distance
de cohrence peut varier trs
largement selon le type et lemplacement de lantenne
considre.
Des mesures empiriques ont montr une forte corrlation entre la
hauteur de lantenne dune
station de base et la distance de cohrence [20]. De grandes
antennes imposent ainsi une grande
distance de cohrence. Du ct du mobile, en revanche, gnralement
plus bas en altitude et
donc soumis de nombreux chos, la distance de cohrence reste
raisonnable. Dune manire
gnrale, une sparation de 0.4 0.6 semble adquate pour le mobile,
alors que pour une
station de base, elle peut atteindre plus de 10 [21].
La diversit spatiale en rception, cest--dire lemploi dantennes
multiples du ct du
rcepteur uniquement est un sujet dj bien prsent dans la
littrature, et est notamment
lorigine des techniques de combinaison des rpliques abordes
ci-dessous. Lobservation issue
de capteurs tant par ailleurs un mlange de signaux inconnus, la
multiplicit des antennes
rceptrices permet aussi la sparation de sources [22].
En revanche, la diversit dmission est un domaine de recherche en
pleine volution
depuis quelques annes. Lide de base est denvoyer linformation
aprs un traitement
spcifique chaque antenne afin que le rcepteur puisse combiner
ces signaux pour obtenir de
la diversit. Le premier systme utilisant la diversit dmission
fut propos par Wittneben en
1991 [23], puis amlior en 1993. La diversit dmission est en fait
une diversit de
modulation, et est lexpression la plus simple des rcents codes
espace-temps.
La tendance actuelle est dassocier plusieurs antennes la fois
lmission et la
rception, formant ainsi des systmes multi-antennaires plus
connus sous le nom de MIMO
[24], et qui permettent datteindre de hauts degrs de diversit.
Ces systmes, tudis plus en
dtail dans ce chapitre, rduisent clairement les fluctuations du
signal et liminent les
vanouissements du canal.
-
Chapitre II: La Technique MIMO
18
II.4. Systme MIMO
Les techniques MIMO sont apparus dans les annes 90 grce Gerard.
J. Foschini [15].
Le but tant daugmenter le dbit et la porte des rseaux sans fil,
elles se basent sur
lutilisation de plusieurs antennes aussi bien du ct de lmetteur
que celui du rcepteur. La
mise en place dune telle structure permet au systme utilis
datteindre des dbits importants et
cela sans changer la largeur de la bande allou au signal ni sa
puissance dmission.
De plus, le fait dutiliser plus dune antenne des deux cts du
systme permet dapporter de la
diversit. Concrtement, plusieurs rpliques de la mme information
sont transmises sur
plusieurs canaux ayant des puissances comparables et des
vanouissements indpendants, et
donc, il est fort probable quau moins un, ou plus, des signaux
reus ne soit pas attnu un
moment donn, rendant possible une transmission de bonne qualit.
Cela a pour consquence
lamlioration du rapport signal bruit (en anglais Signal to Noise
Ratio (SNR)) et donc du
taux derreurs binaires [1525].
Figure. II.4 : Systme de transmission MIMO avec Nt metteurs et
Nr rcepteurs
II. 5 Les principes du MIMO
Comme cela a t expliqu prcdemment, la principale source des
perturbations, que
subit un signal lors de sa propagation, est le canal. En effet,
cause des phnomnes de
Emission
1
2
Nt
2
Nr
Rception
1
-
Chapitre II: La Technique MIMO
19
propagation multi-trajets, le signal subit des vanouissements,
des dcalages frquentiels ou
mme temporels.
Contrairement aux systmes classiques, les systmes diversit
prennent avantage de ces types
de propagation pour amliorer les performances du systme. Pour
mettre en place ces
amliorations, les systmes MIMO exploitent les techniques de
:
Diversit despace : Aussi connue sous le nom de diversit
dantenne
diversit frquentielle : Cette technique demande lenvoi du mme
signal sur
des frquences diffrentes. Il faut toutefois faire attention la
largeur de bande
cohrente et ltendue frquentielle due aux multi-trajets et aux
distances
franchir par la transmission.
diversit temporelle : Lorsque lon spare lenvoi du mme signal par
le temps
cohrence du canal, il est possible de profiter de la diversit
temporelle. Tout
dpend galement de la vitesse de dplacement du mobile et de la
frquence
porteuse.
Un systme MIMO se caractrise par lutilisation de plusieurs
antennes lmission
ainsi qu la rception. Lorsquun tel systme comprend, seulement,
une seule antenne
lmission et plusieurs antennes la rception, il est nomm SIMO
(Single Input Multiple
Output). De mme, lorsquil comprend plusieurs antennes la
rception et une seule antenne
lmission, il est nomm MISO (Multiple Input Single Output).
Finalement, si les deux cts
comptent une antenne chacun, le systme est dit SISO (Single
Input Single Output) [26]
(figure II.5).
-
Chapitre II: La Technique MIMO
20
Figure II.5 : Schmas reprsentatifs du SISO, MISO, SIMO et
MIMO.
MISO
SISO
Systme Tx Systme Rxh
h21
h11
Systme Tx .. Systme Rxhr1
SIMO
h12
h11
Systme Tx
h1r
.. Systme Rx
MIMOh11
Systme Tx ...
hrr
... Systme Rx
-
Chapitre II: La Technique MIMO
21
II.6. Modlisation d'un canal MIMO
Le systme MIMO gnralement utilis ici est un systme ayant Nt
antennes d'mission
et Nr antennes de rception, que nous dsignons par la suite par
MIMO (Nt ; Nr). Le signal reu
sur l'antenne (= 1; (; est la somme des contributions des
symboles mis ,} {,
multiplie par le gain complexe des liaisons correspondantes
:
ij
Nt
iiji nshy
1(2.1)
La figure II.6 prsente le modle d'un systme MIMO, l'quation
(2.1) peut tre r-crite d'une
manire matricielle afin de la rendre plus synthtique :
= + (2.2)
O: = ] [ , = ] [
et = [ ]
La matrice canal est donne par :
=
(2.3)
Figure II.6: Le Systme MIMO.
-
Chapitre II: La Technique MIMO
22
Avec Hi j le coefficient complexe du canal entre l'ime antenne
dmission et la j me antenne de
rception. En fonction de lenvironnement de propagation, de
lespacement entre les antennes
ou mme de leurs polarisations, ces coefficients peuvent tre plus
ou moins corrls entre eux.
Dans le but dexploiter, encore plus, la diversit quoffre un
systme MIMO, diffrents
algorithmes de codage/dcodage ont t dvelopps; Dans la suite de
notre travail, nous nous
intressons au codage espace-temps en bloc.
II. 7. Le codage spatio-temporel
Lors de limplmentation des systmes antennes multiples, conus
afin damliorer
lefficacit spectrale, des approches diffrentes ont t proposes.
Lapproche la plus classique,
consiste utiliser des antennes multiples la rception et
dappliquer un combinateur taux
maximal (Maximum Ratio Combiner, MRC) aux signaux reus .Mais,
cette approche prsente
linconvnient daugmenter la complexit du rcepteur. Considrant le
contexte des rseaux
cellulaires o le terminal mobile doit avoir une complexit plus
faible que la station de base
pour des raisons conomiques et pratiques (vu la taille du
terminal mobile), il est plus
raisonnable (et plus pratique) dquiper de plus dune antenne la
station de base que le terminal
mobile. Par consquent lapproche qui consiste quiper lmetteur
avec des antennes
multiples a des consquences plus immdiates. Ainsi, dans le cas o
lmetteur est muni de Nt
antennes rceptrices, nous devons dfinir quel est le traitement
mapping ncessaire appliquer
aux signaux avant de les mettre sur les antennes mission. Ce
traitement supplmentaire de
part et dautre du canal radio, mappeur/dmappeur, est spcifique
aux systmes MISO et plus
gnralement MIMO en comparaison au systme SISO comme le montre la
Figure. II.7 est
appel codage spatio-temporel ou codage espace-temps. En
conclusion, ces codes permettent
dintroduire de la corrlation spatiale et temporelle entre les
signaux mis dune manire
intelligente, afin qu la rception le signal reu soit bien dcod
[27].
La question fondamentale qui se pose maintenant est, comment
concevoir le codage spatio-
temporel afin doptimiser les performances de la liaison radio ?
Les critres de performances
gnralement considrs sont :
Lefficacit spectrale elle sexprime en bit par seconde par Hertz.
Nous cherchons
souvent avoir le dbit le plus lev possible. La limite ultime, o
le dbit est le plus
lev possible, a t dfinie cest la capacit.
-
Chapitre II: La Technique MIMO
23
La robustesse la robustesse de la transmission varie souvent
loppos de
laugmentation du dbit. Elle peut tre mesure par le taux derreur
binaire (BER). En
effet, lors de ltude des codes espace temps proposs, le BER est
le critre de
performance considr.
La complexit: il est important que la complexit du mappeur/
dmappeur spatio-
temporel soit la plus faible possible. Il est ainsi souhaitable
davoir une conception des
schmas de transmission et de rception de telle faon que la
complexit soit non
symtrique, avec la complexit la plus faible du ct aliment par
des batteries (le
terminal mobile dans le cas des rseaux cellulaires).
Gnralement, ces critres de performances sont contradictoires.
Ici vient le rle des ingnieurs
qui doivent faire des choix et des compromis selon les
applications (mobilit, conditions du
canal physique, etc.) et les aspects conomiques afin davoir des
systmes de transmission
MIMO les mieux optimiss.
II. 8- Construction du Code spatio-temporel en bloc
Le codage espace-temps en bloc (en anglais Space-Time Bloc
Coding) a t prsent,
pour la premire fois par Alamouti en 1998 [28]. Cette approche
prend avantage des
phnomnes de propagations multi-trajets, dans le but damliorer
lefficacit spectrale des
systmes MIMO. Le principe consiste introduire une redondance
dinformation entre deux
antennes dmission et amliorer ainsi la robustesse pour une mme
puissance dmission mais
sans gagner du dbit. Alamouti a prsent son code avec, une
configuration de deux antennes
l'mission avec une et deux antennes rceptrices respectivement.
Le codage est fait en prenant
en compte les dimensions spatiale et temporelle do son nom. Le
code dAlamouti nest
adapt quaux systmes possdant deux antennes lmission et Tarokh et
al. [29, 30] ont
gnralis les codes spatio-temporels et ce quel que soit Nt.
-
Chapitre II: La Technique MIMO
24
Figure II.7: Principe de codage espace temps d'Alamouti
II.9. Codage spatio-temporel dans Le cas MISO
Le schma dun codage espace-temps appliqu un systme MISO avec
deux antennes
en mission et une seule en rception est illustr sur la figure
II.8
A la sortie du codeur espace-temps, les antennes dmission et
envoient,
respectivement, les symboles et , durant le premier temps
symbole . A temps symbole
daprs, les symboles s2 et s1 sont mis. Les canaux et sont
supposs statiques
durant 1 et 2 .
Au niveau du rcepteur, le signal reu est la combinaison des
symboles reus affects par les
diffrents canaux. De l :
...101101 ...S2S1Modulation
Codage
d'Alamouti
Tx1
Tx2
...-S2*S1
...S1*S2
Figure II.8: Schma d'un systeme MISO 2x1avec codage
d'alamouti
-
Chapitre II: La Technique MIMO
25
= + ( 2.4 )
Avec = ] [ le vecteur signal reu, = [ ]
le vecteur canal, = [ ] le
vecteur bruit et S la matrice des symboles cods :
Le dveloppement des lments de lquation (2.4) mne au systme
dquations suivant :
En conjuguant la deuxime quation du systme, on peut crire :
(2.7)
Alamouti a considr, dans son article, que les canaux h1 et h2
sont orthogonaux. Concrtement,
il scinde le canal MISO en deux canaux indpendants pour garantir
une diversit dordre 2.
Mathmatiquement, cela veut dire que :
*1
*2
21
ss
sss
22*11
*22
122111
bhshsy
bhshsy
(2.5)
*2
*12
*21
*2
122111
bhshsy
bhshsy
(2.6)
*2
1
2
1
*1
*2
21
*2
1
b
b
s
s
hh
hh
y
y
-
Chapitre II: La Technique MIMO
26
22221 IhhHHHH cHcHcc (2.8)Avec:
*1
*2
21
hh
hhH c
Matrice hermitienne
I2 la matrice identit
Cette hypothse simplifie le calcul des symboles 1s et 2s estims
la rception. On peut crire
alors :
2221*2
1
2
1
hh
y
yH
s
s Hc
bH
s
sHc
2
1
(2.9)
Avec = [ ] le vecteur de bruit rsultant.
II. 10. Codage spatio-temporel dans Le cas MIMO
Comme mentionn prcdemment, Alamouti a considr un systme MIMO
avec deux
antennes en mission et deux en rception. Le traitement appliqu
lantenne de rception dans
le cas MISO est appliqu chacune des deux antennes de rception
dans ce cas.
Les canaux h1 et h2 dfinis prcdemment sont, cette fois-ci, des
vecteurs contenant les
coefficients des canaux tablis, respectivement, entre lantenne
et et les deux antennes
de rception. On crit alors = [ ] et = [ ]
-
Chapitre II: La Technique MIMO
27
Figure II.9: Schma d'un systme MIMO 2x2 avec codage Alamouti
A la rception = ] [ = ((1] (2) (1) (2)]
avec y1(1) et
y1(2) les symboles reus sur lantenne Rx1, respectivement, durant
t1 et t2. De mme, les
symboles y2(1) et y2(2) sont reus sur lantenne Rx2,
respectivement, durant les deux temps
symboles. En reprenant le calcul effectu dans le cas MISO et en
ladaptant cette
configuration, on crit :
Et donc:
)2(
)1(
)2(
)1(
)2(
)1(
)2(
)1(
*2
*2
1
1
*2
*2
1
1
2
1
b
b
b
b
H
y
y
y
y
Hs
sHc
Hc Avec
*12
*22
*11
*21
2212
2111
hh
hh
hh
hh
H c (2.11)
)2(
)1(
)2(
)1(
)2(
)1(
)2(
)1(
*2
*2
1
1
2
1
*12
*22
*11
*21
2212
2111
*2
*2
1
1
n
n
n
n
s
s
hh
hh
hh
hh
y
y
y
y
(2.10)
-
Chapitre II: La Technique MIMO
28
Le MIMO permet donc denvoyer plusieurs signaux diffrents sur des
antennes
diffrentes des frquences proches pour augmenter le dbit ou la
porte du rseau. Sa
particularit passe donc par lutilisation simultane de plusieurs
antennes, mettrices et
rceptrices. Ainsi il permet damliorer les performances des
appareils, qui aujourdhui
connaissent des problmes lis la nature des ondes et leur
comportement suivant
lenvironnement, ce qui diminue la qualit de transmission et donc
le dbit ainsi que la porte.
Plusieurs standards, tels que le WiFI et le WiMAX, associent le
MIMO dautres techniques
comme lOFDM dans le but damliorer encore plus les performances
des systmes.
II. 11 Analyse de performance
Parmi les faits notables que lon tire des rsultats dAlamouti, on
note que lutilisation
des schmes MRC et dAlamouti nous offrent une qualit de signal
suprieur une simple
transmission de signal subissant une attnuation de Rayleigh
ainsi que de linterfrence dun
bruit blanc gaussien.
On remarque galement que les courbes de qualit de transmission
Alamouti (Tx : 2, Rx : 1) et
MRC (Tx : 1, Rx : 2) ont exactement la mme tendance, et sont
donc quivalente. Par contre,
on remarque un dcalage en dcibel entre la courbe de BER selon
SNR dans le cas Alamouti
(Tx : 2, Rx : 1) par rapport au cas avec MRC (Tx : 1, Rx :
2).
On note par notre simulation, le mme dcalage de diffrence entre
les deux mthodes. Aussi,
selon Alamouti, on constate une amlioration croissante avec
laugmentation du nombre
dantennes de rception. Alamouti postule que cette croissance
peut se faire linairement. Autre
point, lorsque Alamouti a augment le nombre de rcepteurs pour le
schme dAlamouti, le
faisant pass dun mode (Tx : 2, Rx :1) (Tx :2, Rx :2), on obtiens
lquivalent MRC de
(Tx :1, Rx :4). Ainsi il en conclu que le degr de diversit
dAlamouti est [2 x (Rx)], c'est--
dire un gain de diversit spatiale complet. [19]
-
Chapitre II: La Technique MIMO
29
Figure II .10: Comparaison des performances entre: systme MIMO
Alamouti et MRC
II.11. Capacits
L'utilit des systmes MIMO en terme d'augmentation de capacit
[31, 32] (dbit par
seconde par Hertz bits/s/Hz) a t dmontre ds les premires annes
de recherche. Ceci leur
donne un intrt majeur dans la plupart des applications de
communication sans fil. Pour
montrer cet intrt, nous allons calculer les capacits des trois
systmes SISO, SIMO et MIMO
et observer les gains apports, en terme de dbit.
II.11.1 SISO
En effet un systme mono-antenne (SISO) tant perturb seulement
par un bruit blanc
additif gaussien peut atteindre une capacit maximale de [33, 34]
:
= log(1 + ( Bits/s/Hz (2.12)
-
Chapitre II: La Technique MIMO
30
O est le RSB en rception.
Pour de hauts RSB, nous pouvons voir qu'il faut un gain de 3dB
au niveau du RSB pour
augmenter la capacit de 1 bit/s/Hz.
II.11.2 Systme SIMO
Pour un cas SIMO ou MISO (ici l'exemple sera donn en SIMO), le
canal est constitu
de nR coefficients distincts, h = [h11;h21;... hnR1] o hi1 est
le coefficient de canal entre l'antenne
d'mission et l'antenne de rception i. La capacit de (2.12) peut
alors tre gnralise :
= log(1 + ) Bits/s/Hz (2.13)
II.11.3 Systme MIMO
En considrant la matrice de canal dfinie en (2.3) avec Nt
antennes d'mission et Nr
antennes de rception, et en l'absence de connaissance du canal
l'metteur (CSI, Channel
state information), la capacit est exprime alors comme suit [15,
19] :
= log +
Bits/s/Hz (2.14)
O : est la matrice identit de dimension Nr, et est le RSB moyen
sur chaque antenne de
rception. Comme dans le cas SISO, la matrice de canal est
considre normalise cest--dire
que les lments de H ont une variance unitaire. A fort RSB, la
capacit dun canal de Rayleigh
peut tre approxime de la sorte :
C min(Nt, Nr) log
(2.15)
Ainsi, la capacit est amliore car le systme MIMO est quivalent
min(Nt, Nr) systmes
SISO, La capacit augmente en fonction du nombre dantennes.
Foschini [15] et Telatar [35]
ont dmontr tous les deux que la capacit donne par (2.15)
augmente linairement avec
m = min(Nt, Nr) contrairement une croissance logarithmique en
(2.12) et (2.13).
-
Chapitre II: La Technique MIMO
31
Figure II.11: Comparaison des capacits ergodiques pour diffrents
systmes SISO, SIMO et
MIMO
Maintenant que les diffrentes capacits des systmes avec un canal
de Rayleigh pour
diffrentes configurations matrielles SISO, SIMO et MIMO ont t
prsentes, nous allons
pouvoir comparer la capacit ergodique l'aide de la figure
II.11.
Pour le cas SISO, nous pouvons voir que la capacit crot
lentement de 1,3 environ 10
bits/s/Hz pour un RSB allant de 0 30dB. Nous constatons
effectivement qu' partir de 14 dB,
il faut bien une augmentation de 3 dB pour gagner 1 bit/s/Hz de
capacit. La comparaison des
systmes SIMO et MIMO se fait avec un nombre total d'antennes
identiques : SIMO (1,3) avec
MIMO (2,2) et SIMO (1,5) avec MIMO (3,3).
Pour les faibles RSB, les systmes SIMO ont une capacit plus
importante que les
systmes MIMO, mais ds que le RSB augmente, le gain devient
spectaculaire, ainsi pour un
RSB de 30 dB le systme MIMO (3,3) a quasiment une capacit double
par rapport au SIMO
(1,5). De plus, plus le nombre d'antennes est grand et plus le
croisement entre les courbes de
capacit du SIMO et du MIMO se fait dans les bas RSB.
-
Chapitre II: La Technique MIMO
32
A fort RSB, la figure II.11 met en vidence le rsultat de
l'quation (2.15) : La capacit
des systmes (1,1), (1,3) et (1,5) crot mais pas de faon
spectaculaire car m = 1, de plus, les
courbes ont une pente identique, la capacit des systmes (2,2) et
(3,3) crot linairement et la
pente augmente en fonction de m. Dans un canal de Rayleigh, il
est donc important d'utiliser
des systmes multi-antennaires MIMO par rapport aux SIMO.
II. Conclusion
Dans Ce chapitre on a prsent quelques gnralits sur le canal de
propagation radio
mobile, puis nous avons dcrit la technique multi antennaire par
ses dfrentes configurations
SISO, SIMO, MISO et MIMO.
Pour combattre les vanouissements, les solutions les plus
efficaces sont les techniques de
diversit, quelle soit temporelle, frquentielle ou encore
spatiale, ainsi quaux techniques de
combinaison.
Aprs avoir rappel ces gnralits utiles la comprhension de
lensemble du travail, nous
allons aborder dans le troisime chapitre, ltude de la modulation
multi porteuse ainsi que sa
combinaison avec un systme multi antennaire, une solution
devient trs prometteuse pour les
nouvelles et futurs gnrations des communications sans fils.
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
33
III.1 Introduction
LOFDM pour Orthogonal Frequency Division Multiplexing [36] est
une
technique de modulation multi-porteuses sophistique a fait ses
preuves dans le domaine de la
communication sans fil permettant aux technologies actuelles
datteindre un dbit de
transmission lev. Elle est utilise dans la plupart des standards
de communication. On peut
citer en autre, lADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) qui
est une technique de
communication qui permet dutiliser une ligne tlphonique dabonn
pour transmettre et
recevoir des signaux numriques des dbits levs (linternet haut
dbit), le WI-FI, le
WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
appartenant la famille du
standard IEEE 802.xx et permettant la transmission de donnes
sans fil haut dbit. La technique
de modulation OFDM est utilise dans la diffusion audio numrique
(DAB pour Digital Audio
Broadcasting ) et dans la diffusion vido numrique (DVB pour
Digital Video
Broadcasting ). Elle est en phase de normalisation dans le LTE
(Long Term Evolution) pour
la future norme de rseau mobile de quatrime gnration (4G)
[37].
Dans ce chapitre, Nous abordons le principe de la modulation
OFDM, son historique ainsi que
sa description gnrale avec ses avantages et ses inconvnients.
Nous parlons d'un systme de
transmission bas sur la modulation OFDM et on explique comment
l'OFDM combat les
interfrences ISI/ICI dans un canal trajets multiples. Ensuite
nous dcrirons la combinaison
MIMO-OFDM. Les techniques bases sur lassociation des modulations
porteuses multiples
et de MIMO sont aujourdhui, reconnues comme des solutions fort
potentiel pour les futurs
systmes de radiocommunication. La combinaison MIMO-OFDM permet
dallier les avantages
des deux mthodes.
III. 2 La modulation OFDM
La modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
est un type
particulier de transmissions multi-porteuses dont loriginalit
est de multiplexer linformation
sur des sous-porteuses orthogonales. Dans lhypothse o les bandes
passantes de ces sous-
porteuses sont suffisamment troites, les distorsions induites
par un canal slectif en frquence
sont alors limites une simple attnuation sur chacune delles.
Cette caractristique reprsente
un avantage certain pour cette modulation face une transmission
porteuse unique, du fait de
la simplicit du Systme d'galisation ncessaire en rception. En
outre, la condition
dorthogonalit des sous-porteuses permet leur recouvrement
rciproque sans interfrence de
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
34
lune sur lautre et accorde donc une haute efficacit spectrale au
systme. Enfin, les
interfrences entre sous-porteuses et les interfrences entre
trames induites par le canal tant
fortement limites, lOFDM est une modulation particulirement
apprcie pour les
transmissions sans-fil hauts-dbits.
On comprend alors facilement lengouement pour cette technique
depuis les annes 90 ; bien
quhistoriquement, le concept existe depuis 1960.
III. 3 Historique
Depuis leur apparition, les communications OFDM et plus
largement les systmes multi
porteuses, connaissent un dveloppement rapide d au vif intrt qui
leur est port, aussi bien
par la communaut scientifique que par les industriels.
Lide dutiliser des porteuses frquentielles avec recouvrement FDM
(Frequency Division
Multiplexing) robustes aux canaux slectifs et permettant une
galisation peu complexe a vu le
jour dans les annes 1960 [38]. La difficult majeure
dimplantation de la modulation rside
alors dans la ncessit de disposer dune banque doscillateurs
sinusodaux en mission pour
gnrer les sous-porteuses et autant de dmodulateurs cohrents en
rception. Cette difficult
rend alors impossible lexploitation des communications
multi-porteuses et les transmissions
OFDM ne suscitent alors quun intrt acadmique. En 1971, Weinstein
et Ebert [39] proposent
lutilisation de la transforme de Fourier discrte afin de gnrer
la modulation et la
dmodulation des signaux multi-porteuses. Cette avance est alors
dterminante pour les
communications OFDM puisque les avances dans le domaine du
traitement des signaux
numriques liminent peu `a peu les contraintes matrielles lies `a
la modulation.
Limplantation totalement numrique de la transforme de Fourier
voit alors la dmocratisation
des communications OFDM.
A partir des annes 90, les transmissions OFDM simposent
graduellement dans un grand
nombre de normes de communication.
III. 4 Principe de la modulation OFDM
Les modulations multi-porteuses comme lOFDM consistent rpartir
les symboles sur
un grand nombre de porteuses bas dbit, loppos des systmes
conventionnels qui
transmettent les symboles en srie, chaque symbole occupant alors
toute la bande passante
disponible.
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
35
Pour rpartir les donnes transmettre sur les N porteuses, les
symboles sont groups par
paquets de N. Les symboles ) = + ( sont des nombres complexes
dfinis partir
des lments binaires par des constellations souvent de type MAQ
4, 16, 64, 2n tats.
La squence de N symboles , , , constitue un symbole OFDM. Le
kime symbole
module un signal de frquence fk. Le signal rsultant scrit sous
forme complexe :
() = (3.1)
Lenveloppe complexe du signal s(t) = sI (t) + jsQ(t)
correspondant lensemble des N
symboles rassembls en un symbole OFDM (figure III.1) :
O T est la dure du symbole OFDM.
Les frquences sont dites orthogonales si lespace entre deux
frquences adjacentes fk et fk+1 est
1/T. Cette orthogonalit se justifie mathmatiquement en
considrant le produit scalaire usuel
dans lespace vectoriel dfini par la base des exponentielles
complexes. En effet, chaque
porteuse modulant un symbole pendant une fentre rectangulaire
temporelle de dure T, son
spectre en frquence est un sinus cardinal, fonction qui sannule
tous les multiples de 1/T
(figure III.2). Dans ce cas,
O f0 reprsente la premire frquence de la bande du signal. Ainsi,
lorsque lchantillonnage
est effectu prcisment la frquence fk dune sous-porteuse, il ny a
aucune interfrence avec
les autres sous-porteuses. Cest ce qui permet de recouvrir les
spectres des diffrentes porteuses
et dobtenir ainsi une occupation optimale du spectre.
(3.3)
(3.2)
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
36
III. 5 Ralisation numrique des oprations de modulation et de
dmodulation
Dans les communications haut dbit, les dbits sont limits par des
contraintes
physiques : le bruit d aux imperfections des systmes et la
nature physique des composants
affectent la transmission du signal mis. On rduit dans ce cas
les erreurs de transmission en
numrisant les informations. De plus limplantation numrique offre
aussi lopportunit
dajouter des codes correcteurs derreurs afin de protger le
signal des perturbations engendres
par le canal de transmission.
Figure III.1: Schma de principe du modulateur OFDM
Figure. III.2 : Allure de lensemble des spectres des porteuses
dun symbole OFDM
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
37
Cependant, la ralisation pratique de la modulation OFDM de faon
directe (avec des
oscillateurs et des mlangeurs) implique un circuit dune
complexit prohibitive.
Heureusement, il est possible de raliser respectivement le
modulateur et le dmodulateur par
des Transformes de Fourier Discrte Inverse (IDFT et DFT, via
lalgorithme de lIFFTet FFT,
si N est une puissance de 2).
la gnration dune trame OFDM N sous-porteuses, en bande de base
dans le domaine
complexe et en temps discret par chantillonnage `a taux de
Nyquist tel que K = N, est la stricte
application de la transforme de Fourier discrte inverse (TFDI)
un coefficient 1/N prs sur
les symboles issus dune modulation numrique complexe utilise
pour encoder linformation
binaire.
Dans la suite de ce manuscrit nous poserons X = {X0, X1,...,
XN-1} comme les N sous-porteuses
modules constituantes du signal OFDM dans le domaine
frquentiel.
Dfinition - Un signal OFDM en bande de base complexe est obtenu
par application dune
transforme de Fourier discrte inverse sur N chantillons :
= {} (3.4)
=
, 0 < (3.5)
La dmodulation dun signal OFDM est donc lopration duale
utilisant la transforme de
Fourier discrte (TFD) telle que :
= {} (3.6)
=
, 0
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
38
III. 6 Proprit dorthogonalit
La proprit dorthogonalit est fondamentale en OFDM puisquelle
permet de
conjuguer une grande efficacit spectrale avec une lutte efficace
contre les interfrences entre
les sous-porteuses dune trame. En effet, lorthogonalit des sous
porteuses leur autorise un
recouvrement rciproque partiel. LOFDM utilise cette proprit dans
le domaine frquentiel en
diffusant des informations indpendantes sur chacune delles.
Durant la transmission dune
trame sur un quelconque canal de propagation, et plus forte
raison lors de communications
Figure III.3 : Modulateur OFDM numrique
Figure III.4 : Dmodulateur OFDM numrique
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
39
sans-fil, il convient de protger cette orthogonalit, condition
essentielle au maintien des
bonnes performances du systme.
III. 6.1 Notion mathmatique
Dfinition:
- On considre que des signaux sont orthogonaux les uns des
autres sils sont mutuellement
indpendants. Mathmatiquement, cette condition est tablie pour
deux signaux a(t) et b(t) si :
() =() 0 (3.8)
Les fonctions a(t) et b(t) sont alors orthogonales sur
lintervalle dintgration [0 T].
III. 6.2 Orthogonalit des sous-porteuses en OFDM
En considrant la formalisation mathmatique dune trame OFDM en
temps continu et en
bande de base complexe, quation (3.1), il vient alors de
lequation (3.8) :
L'quation (3.9) est donne pour deux sous porteuses n1 et n2 de
frquence fn1 = n1/T et
fn2 = n2/T et en considrant les symboles complexes C1=C2=1.on
obtient ainsi que:
(3.10)
L'quation (3.10) dmontre que lensemble des N sous-porteuses dune
trame OFDM sont
orthogonales. Dun point de vue spectral, ce rsultat est dautant
plus intressant que le spectre
en frquence de chaque porteuse est centr sur la frquence fn =
n/T. Ainsi, leur recouvrement
(3.9)
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
40
partiel est autoris la condition que la somme des spectres
chaque frquence fn soit
uniquement dpendante dune sous-porteuse.
Chaque sous-porteuse sinusodale possde une rponse frquentielle
en sinus cardinal, due
leur fentrage temporel par une fonction porte de dure T. Comme
le montre la figure III.5, la
rponse en sinus cardinal possde un lobe central de grande
amplitude et de largeur 1 /T ainsi
que de multiples lobes secondaires dont lamplitude dcroit avec
l'loignement `a la frquence
centrale fn. La proprit dorthogonalit fait correspondre, chaque
frquence centrale dun
lobe principal dune sous-porteuse, une amplitude nulle pour les
autres. Lors de la dtection des
signaux, et condition que la synchronisation soit pleinement
assure, la dcision se situe donc
au sommet de ces lobes principaux. Les zones de recouvrement aux
frquences adjacentes
netant pas considres par le rcepteur, lefficacit spectrale de la
modulation peut tre ainsi
maximise en minimisant lespace entre les sous-porteuses ce qui
rduit, de fait, loccupation
de linformation sur la bande du signal.
Figure III.5: Spectre en frquence dune trame OFDM :
reprsentation des sous-porteuses
constituantes, N = 4, T = 1 s.
III.7 Interfrences entre porteuses et symboles
La figure III.6 illustre les interfrences lies aux trajets
multiples provoquant des chos
la rception. Pour l'exemple, deux trajets sont considrs, un
principal et un retard. La
rception de la trame i pendant le temps d'intgration T est la
somme des diffrents signaux
issus des diffrents trajets.
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
41
Figure III.6: Propagation des trames OFDM sans intervalle de
garde : retards,
trajets multiples et interfrences
Deux observations peuvent tres faites ici :
1. Le dbordement de la trame retarde i-1 sur la priode
d'intgration du signal issu du
trajet principal est une interfrence entre symboles qui provoque
des distorsions sur les
premiers chantillons du signal d'intrt et dont l'effet est la
perte d'orthogonalit des
sous-porteuses. La consquence directe est une rduction
importante de la performance
de la transmission.
2. Aussi, l'influence de l'cho de la trame i sur elle-mme induit
une interfrence entre
porteuses. Selon la phase des chantillons, il en rsulte des
ajouts constructifs ou
destructifs sur le signal vhicul par le trajet principal.
Les IES et IEP entretiennent une relation troite. Du fait de la
dispersion en temps des canaux
de communication, il est vident que la condition d'orthogonalit
est largement menace. Afin
de s'assurer de sa prservation, il convient dutiliser un
intervalle de garde en temps afin
d'assurer que les avances ou retards de trames adjacentes
n'influent pas en rception.
tTrajet 1
i-1 Trame i i+1
tTrajet 2
IES IEP
T
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
42
III.8 Intervalle de garde
L'intervalle de garde est insr chaque dbut de trame, prolongeant
la dure d'un
symbole OFDM = + . La priode d'intgration reste nanmoins la mme
puisque
l'intervalle est supprim `a la rception. En choisissant un
intervalle de garde au moins aussi
long que le retard maximum induit par le canal de communication
[40], comme montr la
figure III.7, les trames adjacentes i n'interfrent plus pendant
la priode d'intgration T du
symbole. Les IES sont alors vites et toutes les composantes du
signal sur T sont issues de la
mme trame en fonction des chos. L'intervalle de garde est donc
lment essentiel des
communications OFDM pour s'affranchir des IES.
Figure III.7: Insertion dun intervalle de garde en temps en
OFDM.
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
43
La figure suivante montre une chaine de transmission base d'une
modulation OFDM:
Figure III.8: Schma Bloc d'un systme OFDM [21]
III.9 Avantages et inconvnients de lOFDM
Contrairement aux transmissions mono porteuses, un des grands
avantages de la
modulation OFDM consiste en la simplicit de lgalisation des
distorsions. Ceci permet
davoir des rcepteurs simples et peu couteux.
Les principaux avantages et inconvnients de la modulation lOFDM
sont nombreux, on peut
en citer:
Une utilisation efficace des ressources frquentielles en
comparaison avec les
solutions classiques de multiplexage frquentiel. Ceci est
principalement d au fait
que dans lOFDM, les canaux se chevauchent tout en gardant une
orthogonalit
parfaite.
Les techniques multi porteuses sont robustes au bruit impulsif
puisque chaque sous
porteuse est affecte dun bruit indpendant des autres porteuses.
contrairement aux
modulations mono porteuses, o le bruit peut affecter un certain
nombre de symboles
transmis, la perte dun symbole d un bruit important naffecte pas
les autres
symboles.
X[k] x[n]
x(t)Input
DataS/P
N-pointIFFT
AjoutTg P/S D/A
Modula-tion
...
......
y(t)A/DS/P
...
SuppressionTg
...
N-pointFFT
...P/SDmodulation
Output
Data
y[n]Y[k]
Can
al
Emetteur
Rcepteur
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
44
Les techniques OFDM ont une trs grande flexibilit dans
lallocation du dbit dans
un contexte multi utilisateurs. En effet, en fonction de la
valeur du gain instantan du
canal, chaque sous porteuse peut tre code indpendamment des
autres porteuses.
Plus les perturbations samplifient, plus la technologie perd de
son intrt car il faut
alors mettre en place des mthodes de filtrages ou de codages qui
rduisent
grandement les dbits.
LOFDM est galement trs vulnrable aux problmes de dcalage en
frquence
(Frequency offset) et de synchronisation [41]. En effet, la
frquence offset engendre
des interfrences ICI qui peuvent dtruire lorthogonalit entre
sous porteuses.
III.10 Association MIMO-OFDM
L'association des deux systmes MIMO et OFDM permet d'amliorer
les
performances d'un systme de communication sans fil. Afin de
raliser cette combinaison, on
applique l'OFDM sur plusieurs antennes qui transmettent les
informations en parallle [42].
III.11 Principe de lassociation MIMO et OFDM
Comme nous venons de le voir, une des techniques les plus
efficaces pour amliorer
lefficacit spectrale dune communication radio est lutilisation
dantennes multiples
lmission et la rception. Dans ce qui suit, nous considrons un
systme MIMO utilisant la
modulation OFDM, o lmetteur et le rcepteur sont munis
respectivement de Nt et Nr
antennes. Les antennes sont alignes et uniformment espaces. La
distance relative entre deux
antennes adjacentes est donne par : =
, o d est lespace sparant deux antennes et la
longueur donde. La figure 3.9 prsente le schma de la chane de
transmission pour un
systme MIMO-OFDM.
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
45
Figure III.9 : Principe dun systme MIMO-OFDM
Dans ce qui suit, nous dcrivons le parcours suivi par le message
comme il est illustr dans la
figure III.9 :
1. la squence binaire passe travers un modulateur numrique. Ce
dernier associe
chaque squence de m bits un symbole complexe selon une
constellation de taille 2m.
2. les symboles complexes sont par la suite rpartis afin quils
soient transmis sur les Nt
antennes de transmission. Comme le systme MIMO tudi considre la
modulation
OFDM, nous disposons lentre du canal de N Nt chantillons mettre,
o N
reprsente le nombre de sous-porteuses pour le signal OFDM. Ainsi
lutilisation dun
modulateur espace-temps savre tre une solution efficace afin de
profiter des
ressources en espace, temps et frquence prsentes,
3. les symboles passent ensuite travers le modulateur OFDM avant
dtre filtrs par le
filtre de mise en forme,
4. le signal analogique rsultant est transmis travers le canal
radio, o il se trouve affect
par le milieu de propagation,
N1
Nt
FFT
FFT
Dcodage
STBCDmodula-
tion
Message Reu ...
Entre binaireModulation
IFFT
CanalMIMO
STBC
IFFT
...
N1
Nr
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
46
5. la rception, le rcepteur antennes multiples est constitu dun
filtre adapt au filtre
limiteur de bande utilis lmission, du dmodulateur OFDM, du
dcodeur espace
temps, du dmodulateur numrique.
III.12. Description signal MIMO-OFDM
Un systme MIMO-OFDM dpend du schma d'Alamouti STBC [28] N
sous-
porteuses, Nt antennes d'mission et Nr antennes de rception.
Si nous exprimons le vecteur de donnes pour le i-me antenne
d'mission avant la transforme
de Fourier rapide inverse (IFFT) comme , alors le vecteur
transmis peut tre note [43]
:
= () (3.11)
Ainsi, le vecteur de donnes est donne par:
= ,((1,((0] ), 1)] (3.12)
Dans le domaine temporel discret, un signal MIMO-OFDM ) ) de N
sous-porteuses s'crit
comme suit:
) ) = (1 ) ( ) exp2
0 1,1
(3.13)
-
Chapitre III: Association MIMO-OFDM
47
Pour illustrer lintrt de lassociation des systmes MIMO avec la
modulation OFDM,
nous allons comparer les performances en terme de BER (Taux
dErreur Binaire) des deux
systmes Pour avoir une bonne comparaison, il faut mettre les
deux systmes dans les mmes
conditions, cest dire avec la mme puissance mise, la mme bande
passante et le mme
dbit. Pour obtenir le mme dbit il faut augmenter le nombre de
bits par symbole pour
lOFDM. Sur la figure III.10. Les performances du MIMO-OFDM sont
nettement meilleures,
illustrant pour cet exemple la nette amlioration des
performances du systme MIMO OFDM
par apport au systme SISO OFDM.
Figure III.10: Comparaison performances systme MIMO-OFDM et
SISO-OFDM
III. 12 Conclusion
Dans ce chapitre, on a prsent la combinaison du systme
multi-Antennaire MIMO avec
la modulation multi-porteuses. Aprs avoir dtaill le principe de
l'OFDM une description de la
combinaison MIMO-OFDM a t faite.
BE
R
-
Chapitre III: Association MIMO-OFD