Soutenance mémoire
Les systèmes de communications sans-fil ont connu un essor spectaculaire au cours de ces deux dernières décennies, notamment dans le domaine de la téléphonie mobile. Au fur et à mesure des années, les applications sont devenues de plus en plus gourmandes en terme de volume de données, ce qui a obligé les systèmes de communications à une augmentation du débit et de la fiabilité de la transmission. En effet, la première génération des réseaux cellulaires utilisant la technologie numérique (2G) permettait la transmission d’un signal vocal ainsi que de messages texte (SMS) ou image (MMS). Elle supportait des débits allant de 10 à 350 kbits/s suivant les standards utilisés (GSM, GPRS et EDGE). Au cours des années 2000, l’intérêt du grand public pour les smartphones a créé de nouveaux besoins tels que la connexion au réseau Internet en tout lieu et à tout moment ainsi que le visionnage et le téléchargement de vidéos par exemple. La 3G, qui a été déployée en France en 2004, a donc été impulsée pour répondre à ces besoins qui nécessitent des débits plus importants que ceux offerts par la 2G (une application vidéo nécessite un débit minimum d’environ 400 kbits/s par exemple). Les débits disponibles avec la 3G permettent en effet d’atteindre jusqu’à 42 Mbits/s pour sa dernière évolution (DC-HSPA+).
A partir de 2012, la dernière génération de réseaux cellulaires (4G) est apparue pour satisfaire la forte croissance du trafic sur les réseaux mobiles, qui est notamment due à l’apparition de nouveaux services tels la vidéo haute définition, la vidéo à la demande et les jeux en réseaux. Les débits théoriques alors supportés par la 4G peuvent aller jusqu’à 300 Mbits/s pour le standard LTE et jusqu’à 1 Gbits/s pour le LTE-A. Le trafic de données mobile qui a été multiplié par 18 entre 2012 et 2017, ne devrait cesser de croître au cours des prochaines années. Les projections sur cinq ans montrent en effet une multiplication par 7 du trafic actuel. De plus, 95 % de ce trafic devrait concerner les communications à l’intérieur des bâtiments (indoor), notamment à cause de l’explosion du nombre d’objets connectés (IoT, pour Internet of Things) qui sont aujourd’hui omniprésents dans notre quotidien (domotiques, compteurs intelligents, montres connectées, . . . ). Comme pour les générations précédentes, la future génération de réseaux cellulaires (5G) devra être capable de supporter cette augmentation de trafic en fournissant des débits de plusieurs Gbits/s. Toutefois, un nouvel enjeu est apparu avec la 5G : la consommation énergétique. En effet, malgré la croissance du trafic des données, la 5G vise une diminution de moitié de la consommation énergétique du réseau par rapport aux réseaux existants.
Généralités
Le canal radiomobile
Lors d’une transmission sans-fil, l’information est transmise sur un médium que l’on nomme canal radiomobile. Celui-ci engendre des distorsions sur le signal reçu qui peuvent limiter les performances de la transmission, et doivent donc être prises en compte lors de la mise en œuvre d’une transmission.
Les effets du canal radiomobile
Les effets du canal radiomobile sur le signal reçu peuvent être regroupés en quatre catégories : l’atténuation moyenne, les effets de masquage, les multi-trajets et l’effet Doppler. Les deux premiers sont généralement qualifiés d’effets à grande échelle car leurs variations sont lentes au cours du temps. A l’inverse, les multi-trajets et l’effet Doppler, présentant une variation rapide, correspondent à des effets à petite échelle.
L’atténuation moyenne : au cours de sa propagation dans le canal radiomobile, l’onde électromagnétique subit une atténuation moyenne Att qui dépend de la distance d séparant l’émetteur du récepteur, de la longueur d’onde λ et de l’environnement.
Les effets de masquage : ils résultent de la présence d’obstacles entre l’émetteur et le récepteur tels que des murs, des immeubles ou des montagnes. Une partie de l’onde transmise arrive tout de même au niveau du récepteur, mais le signal reçu subit une forte atténuation.
Les multi-trajets : pour une propagation en espace libre, l’onde électromagnétique emprunte un unique trajet. Cependant, lors d’une transmission dans un environnement qui comporte des obstacles, l’onde subit des phénomènes de réflexion, réfraction, diffraction et diffusion qui ont pour effet de créer des multi-trajets. Le récepteur reçoit alors de multiples répliques du signal transmis avec des amplitudes et phases différentes.
L’effet Doppler : lorsque l’émetteur et le récepteur sont en mouvement relatif avec une vitesse constante, le signal reçu subit un décalage de fréquence appelé effet Doppler.
La modulation OFDM
La modulation OFDM est aujourd’hui omniprésente dans les systèmes de communications numériques. On la retrouve en effet dans de nombreuses applications de transmission sans fil tels que la télédiffusion et la radiodiffusion numérique terrestre, les réseaux Wi-Fi et WiMax, ainsi que les réseaux de téléphonie mobile de quatrième génération. Elle est également présente dans certains réseaux filaires : l’ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) et les communications par courants porteurs en ligne, pour ne citer qu’eux.
Principe de la modulation OFDM
La modulation OFDM, qui fait partie des modulations de type multiporteuses, consiste à transmettre des symboles numériques simultanément sur des sous-bandes de fréquence associées à des sous-porteuses, elle réalise donc un multiplexage fréquentiel des symboles à transmettre. On peut l’opposer à la modulation monoporteuse qui effectue un multiplexage temporel en transmettant séquentiellement les symboles numériques où le spectre de chaque symbole est autorisé à occuper toute la bande Bs allouée à la transmission. La durée d’un symbole d’une modulation monoporteuse est alors égale à Tsymb = 1/Bs.
Le principe du multiplexage fréquentiel est de regrouper les symboles numériques par paquets de N, que l’on appellera symbole OFDM et de moduler chaque sous-porteuse par un symbole différent. Considérons une séquence de N symboles de données [X(0), X(1), . . . X(N − 1)] où chaque symbole X(k) module une sous-porteuse d’indice k à la fréquence fk. La particularité de la modulation OFDM provient de l’orthogonalité fréquentielle des sousporteuses qui autorise un recouvrement maximal de ces dernières sans qu’elles interfèrent entre elles.
Avantages et inconvénients
Le principal avantage de la modulation OFDM réside dans sa capacité à transformer un canal sélectif en fréquence en plusieurs sous-canaux non sélectifs en fréquence. Cette propriété permet de compenser les effets du canal par la simple multiplication d’un coefficient par sous-porteuse. L’OFDM est donc particulièrement adaptée aux canaux multi-trajets que l’on rencontre dans les environnements à l’intérieur des bâtiments, et présente une faible complexité de mise en œuvre par l’utilisation des algorithmes d’IFFT/FFT. Elle présente également une occupation de la bande de fréquence efficace, rendue possible par l’orthogonalité des sous-porteuses qui autorise un recouvrement optimal de ces dernières.
La forte fluctuation d’amplitude des signaux modulés par l’OFDM qui est caractérisée par le rapport entre la puissance crête et la puissance moyenne (PAPR pour Peak to Average Power Ratio) présente également un des inconvénients majeur de l’OFDM. En effet, un PAPR important peut engendrer une saturation au niveau de l’amplificateur de puissance qui se traduit alors par une distorsion sur le signal de sortie. Cela oblige ainsi à réduire la puissance de sortie du signal, ou à utiliser un amplificateur présentant une très bonne linéarité.
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Table des matières
Introduction
1 Généralités
1.1 Introduction
1.2 Le canal radiomobile
1.2.1 Les effets du canal radiomobile
1.2.2 Caractérisation du canal
1.3 La modulation OFDM
1.3.1 Principe de la modulation OFDM
1.3.2 Préfixe cyclique
1.3.3 Implantation numérique d’un modulateur et démodulateur OFDM
1.3.4 Avantages et inconvénients
1.4 Le retournement temporel
1.4.1 Première expérience à base de retournement temporel
1.4.2 L’apparition du retournement temporel dans le domaine acoustique
1.4.3 Le retournement temporel dans le domaine des ondes électromagnétiques
1.4.4 Le retournement temporel dans les télécommunications
1.5 Combinaison de retournement temporel et d’OFDM
1.5.1 Schémas d’implantation de la combinaison du RT et de l’OFDM
1.5.2 Questions soulevées lors de la réalisation pratique d’un système MISO RT-OFDM
1.6 La plate-forme de prototypage WARP
1.6.1 Présentation de la plate-forme WARP
1.6.2 Modes de fonctionnement
1.7 Conclusion
2 Estimation de canal dans un système MISO RT-OFDM
2.1 Introduction
2.2 Types de canaux de propagation considérés
2.3 L’estimation de canal dans les systèmes OFDM
2.3.1 L’estimation de la réponse fréquentielle du canal
2.3.1.1 Les techniques supervisées
2.3.1.2 Les techniques aveugles
2.3.1.3 Les techniques semi-aveugles
2.3.2 Les structures de symboles pilotes pour les techniques supervisées
2.3.2.1 Arrangement de type Bloc
2.3.2.2 Arrangement de type Comb
2.3.2.3 Arrangement de type Treillis
2.3.2.4 Choix de l’arrangement des symboles pilotes pour le système MISO-RT-OFDM
2.3.3 Les différents estimateurs pour les techniques supervisées
2.3.3.1 L’estimateur LS
2.3.3.2 L’estimateur MMSE
2.4 Spécifications et choix de l’estimateur de canal UL pour un système MISO RT-OFDM
2.4.1 Spécifications en terme de performances/précision
2.4.2 Spécifications en termes de latence
2.4.3 Choix de l’estimateur de canal UL
2.5 Choix de la séquence des symboles pilotes
2.6 Amélioration du SNR d’estimation par moyennage
2.7 Mise en œuvre matérielle de l’estimation de canal UL
2.7.1 Émission des symboles OFDM pilotes par l’utilisateur
2.7.2 Estimation du canal au niveau du point d’accès
2.7.3 Durée totale de l’estimation des canaux UL
2.8 Mise en œuvre matérielle de l’estimation et égalisation de canal DL
2.8.1 Émission des symboles pilotes par le point d’accès
2.8.2 Estimation / égalisation du canal équivalent par l’utilisateur
2.9 Conclusion
3 Synchronisations dans un système MISO RT-OFDM
3.1 Introduction
3.2 Synchronisations d’un système OFDM SISO
3.2.1 Synchronisation temporelle
3.2.1.1 Impact du décalage temporel sur le signal reçu
3.2.1.2 Les différentes techniques de synchronisation temporelle
3.2.2 Synchronisation de la fréquence porteuse
3.2.2.1 Impact du décalage de la fréquence porteuse sur le signal reçu
3.2.2.2 Les solutions de synchronisation de la fréquence porteuse
3.2.3 Synchronisation de la fréquence d’échantillonnage
3.2.3.1 Impact du décalage de la fréquence d’échantillonnage sur le signal reçu
3.2.3.2 Les solutions de synchronisation de la fréquence d’échantillonnage
3.3 Synchronisations d’un système MISO-RT-OFDM
3.3.1 Synchronisation de la fréquence porteuse et d’échantillonnage
3.3.2 Synchronisation temporelle de la phase d’estimation des canaux UL
3.3.3 Synchronisation temporelle de la phase de transmission des données DL
3.4 Mise en œuvre de la synchronisation du prototype MISO-RT-OFDM
3.4.1 Mise en œuvre de la synchronisation temporelle de la phase d’estimation
3.4.1.1 Positionnement de la fenêtre FFT
3.4.1.2 Détection du début de trame
3.4.2 Mise en œuvre de la synchronisation temporelle de la phase de transmission
3.4.3 Choix de la séquence de synchronisation
3.4.4 Mesures expérimentales de la synchronisation temporelle du prototype MISO RT-OFDM
3.4.4.1 Résultats de mesures de la synchronisation temporelle de la phase d’estimation
3.4.4.2 Résultats de mesures de la synchronisation temporelle de la phase de transmission
3.5 Conclusion
4 La réciprocité du canal de propagation
4.1 Introduction
4.2 Modèle d’une transmission MISO RT avec prise en compte des étages RF
4.2.1 Canal de propagation vu de la bande de base
4.2.2 Expression analytique du signal reçu
4.3 Impact des étages RF de la plate-forme WARP sur les performances d’une transmission RT-OFDM MISO
4.3.1 Mesures des fonctions de transfert des étages RF des cartes WARP
4.3.2 Impact sur les performances
4.4 Les causes de non réciprocité des étages RF
4.4.1 Le décalage de phase de la fréquence porteuse
4.4.1.1 Origine du décalage de phase de la fréquence porteuse
4.4.1.2 Expression analytique du signal reçu
4.4.1.3 Impact sur les performances
4.4.2 Le décalage de phase de l’horloge d’échantillonnage
4.4.2.1 Origine du décalage de phase de la fréquence d’échantillonnage
4.4.2.2 Expression analytique du signal reçu
4.4.2.3 Impact sur les performances
4.5 Les solutions de calibration des étages RF rencontrées dans la littérature
4.5.1 Estimation explicite VS Estimation implicite du canal
4.5.1.1 Estimation explicite du canal
4.5.1.2 Estimation implicite du canal
4.5.2 La calibration absolue
4.5.3 La calibration relative
4.5.4 La calibration interne du point d’accès (ARGOS)
4.6 Solution proposée pour le prototype MISO RT-OFDM
4.6.1 Les sources de non-réciprocité des cartes WARP
4.6.2 La calibration de phase du point d’accès
4.6.2.1 Description de la calibration de phase
4.6.2.2 Validité des coefficients de calibration dans le temps
4.6.2.3 Mise en œuvre de la calibration de phase
4.7 Conclusion
5 Description des prototypes RT-OFDM et résultats de mesures
Conclusion
