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CONTEXTE DE L’ÉTUDE : SYSTÈMES MULTI-PORTEUSES ET MULTI-ANTENNES
Depuis leur développement dans les années 1990, les techniques de transmissions multi-porteuses, encore appelées couramment OFDM, ont donné lieu à de nombreux standards de communications, qu’ils soient filaires ou sans fil. Ainsi, cette technique est-elle utilisée par les systèmes de télédiffusion numérique terrestre (Digital Video Broadcasting (DVB)-T), par la norme IEEE 802.11a/g (WIreless FIdelity (Wi-Fi)) [1, 2], par la norme IEEE 802.16 a (Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMax)) [3]. L’OFDM est utilisé également dans les systèmes mobiles sans fil MC-HSPA (Multi Carrier-High Speed Packet data Access) de troisième génération et dans les réseaux mobiles de nouvelle génération (LTE).
Ce principe de multiplexage fréquentiel a évolué dans les années 60 vers la parallélisation en fréquence des informations à transmettre [4]. Les données de durée Td très courte sont réparties sur plusieurs canaux fréquentiels modulés à bas débit. Ces canaux correspondent à un ensemble de Nsc sous-porteuses orthogonales entre elles. Les symboles transmis sur chaque sous-porteuse ont une durée T s = Nsc.Td, où Ts est la durée d’un symbole.
Pour que la technique OFDM soit efficace, il est important d’assurer la noninterférence entre sous-porteuses, en limitant le recouvrement entre les sous canaux. Pour cela, l’orthogonalité entre les sous-porteuses sera garantie par la fonction porte de mise en forme utilisée comme support temporel. Cette fonction porte engendre un spectre en sinus cardinal pour chacune des sous-porteuses. La condition d’orthogonalité est obtenue en choisissant un espacement entre les sous-porteuses minimal (∆f = 1/Ts ) .
Depuis une dizaine d’année, les applications basées sur internet (IP) se sont fortement développées et les systèmes de télécommunications sont soumis à une demande accrue en débit et qualité de service. Pour les communications sans fil, une nouvelle technique est apparue et est basée sur l’utilisation de plusieurs antennes, indépendantes ou non, tant en émission qu’en réception. Cette technique MIMO, pour Multiple-Input/Multiple-Output, permet d’envoyer des informations en parallèle depuis plusieurs antennes d’émission et de les combiner à la réception, pour accroître le débit ou assurer de meilleures performances. Ce concept a été introduit par J.Winters [5] en 1987 pour des systèmes de communications basiques, puis les laboratoires « Bell Labs » ont élaboré un démonstrateur BLAST (Bell Laboratories Layered Space-Time) en 1996 exhibant des efficacités spectrales de l’ordre de 40 bit/s/Hz avec un réseau d’antennes 8×8. Les études sur ces systèmes ont montré un gain non négligeable de capacité du canal [6], permettant d’atteindre les débits requis par les applications de type IP. Les systèmes actuels, qui ne sont pourvus que d’une antenne à l’émission et à la réception (Single Input/Single Output (SISO)) ne tirent parti que de la diversité temporelle et/ou fréquentielle. Les systèmes MIMO permettront de profiter d’un ordre supplémentaire de diversité apporté par cette dimension spatiale.
Plusieurs schémas d’implémentations du système MIMO sont possibles : ils diffèrent par la procédure utilisée à l’émission de données, et par le nombre d’antennes utilisées au niveau de l’émetteur ou du récepteur. Afin d’optimiser la diversité spatiale du canal de transmission et de réduire les effets d’évanouissements du canal, les techniques mises en œuvre concernent le codage en blocs temps-espace (Space-Time Block Codes (STBC)) [7, 8] et les codes temps-espace de treillis (Space Time Trellis Codes (STTC)) [9].
Il semble alors naturel de combiner les deux techniques OFDM et MIMO, afin de converger vers un système MIMO-OFDM. Notons que la combinaison entre ces techniques est présentée dans la norme 802.11n [10]. Cette combinaison permet d’exploiter les diversités temporelles, fréquentielles et spatiales. En effet, les codes temps-espace tirent profit de la diversité spatiale, mais ne sont pas conçus pour exploiter celle des canaux sélectifs en fréquence. Pourtant, les futurs systèmes de communications poussés par les besoins en débit, utilisent des bandes de fréquence de plus en plus importantes, où le canal est alors sélectif en fréquence. Une façon d’exploiter la diversité fréquentielle dans le contexte MIMO est de recourir à l’OFDM et de le combiner au codage temps-espace (Space Time Code (STC)). Suivant la nature du codage, plusieurs associations sont réalisables et le lecteur pourra se référer à [11] pour une présentation assez complète des combinaisons. Parmi les études à l’IETR, nous pouvons citer les travaux de thèse de J. M. Auffray [12] et C. LeGuellaut [13].
Dans tous les systèmes de communications sans fil et surtout dans les systèmes OFDM et MIMO-OFDM, la synchronisation est primordiale. Les récepteurs ne connaissent pas le début et la fin des symboles OFDM, donc le placement de la fenêtre FFT. Par ailleurs, ils disposent de leur propre fréquence d’échantillonnage, asynchrone avec celle de l’émetteur. Ces deux points font apparaître deux notions de synchronisation : temporelle et fréquentielle. Une erreur de synchronisation temporelle en réception peut entraîner la perte de l’orthogonalité des sous porteuses. C’est pourquoi il est important d’avoir un algorithme de synchronisation robuste et de connaître son effet sur les performances du système.
La technique OFDM
Dans la technique OFDM, la bande de fréquence disponible est divisée en plusieurs sous-canaux orthogonaux, porteurs de symboles indépendants. Le signal OFDM est la somme de tous ces symboles de données portés par les sousporteuses. Comme chacune des porteuses occupe une bande très étroite, les distorsions d’amplitude et de retard introduites par le canal sont quasi plates et peuvent être facilement égalisées. Chang a montré dans [4] qu’un certain nombre de porteuses portant chacune un débit b et qui sont espacées en fréquence de b/2 pourraient être transmises sans interférences entre symboles (ISI) et entre porteuses (ICI) et que le taux de transmission peut atteindre la limite de Nyquist [14] lorsque le nombre de sous-canaux est très grand.
Saltzberg [15] a analysé les performances des systèmes OFDM et conclut que l’efficacité d’un système OFDM doit s’appuyer sur la réduction de l’interférence entre les porteuses adjacentes. Afin de réaliser simplement le multiplex fréquentiel orthogonal, Saltzberg et Weinstein [16] ont montré que l’utilisation de la transformée de Fourier discrète (Discrete Fourier Transform (DFT)) permet de produire facilement le symbole OFDM porté par Nsc de sous-porteuses orthogonales. Par ailleurs, les perturbations du canal de propagation induisent, entre autre, la perte d’orthogonalité entre les sous-porteuses et l’apparition d’interférences entre symboles OFDM, ou ISI, dues aux trajets multiples. Pour éliminer celles-ci, une solution consiste à accroître le nombre Nsc de sous porteuses pour augmenter la durée symbole Ts. Cependant cette technique se heurte à différentes contraintes technologiques ou environnementales. Une autre technique consiste à l’insertion d’un intervalle de garde [17] ou préfixe cyclique (CP) d’une durée Tg, supérieure ou égale à l’étalement maximal de la réponse impulsionnelle du canal. Le CP est en général une copie de la dernière partie d’un symbole OFDM. Dès lors la partie utile Ts de chaque symbole OFDM ne sera plus affectée par les ISI. La durée totale Ttot du symbole OFDM se voit donc augmentée et devient égale Ttot = Ts + Tg.
Chaîne de transmission d’un système OFDM
La chaîne de transmission dans les systèmes OFDM se divise en deux parties, l’émetteur et le récepteur. A l’émission, les bits de la source binaire sont modulés et génèrent des symboles complexes prenant leurs valeurs dans un alphabet fini correspondant à une modulation numérique donnée comme la modulation d’amplitude en quadrature (Quadrature Amplitude Modulation (QAM)) ou la modulation par sauts de phase (Phase-shift keying (PSK)).
La transformée de Fourier discrète inverse (Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) ou Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT)) permet de générer le signal dans le domaine temporel constitué de Nsc échantillons. En général, toutes les Nsc sous-porteuses sont modulées en utilisant les symboles de données, mais certaines sous-porteuses sont des porteuses pilotes. Les pilotes (Estimation Pilots (EP)) sont connus au niveau des émetteurs et des récepteurs et sont utilisés pour l’estimation du canal. Le nombre de pilotes insérés entre les données dépend du canal et de la précision requise pour l’estimation de canal. Les symboles pilotes peuvent être répartis sur plusieurs symboles OFDM consécutifs. Après la fonction IDFT, le préfixe cyclique (CP) de longueur Tg est ajouté pour éliminer l’interférence entre symboles tout en gardant l’orthogonalité entre les sous-porteuses. Le symbole OFDM est alors transmis à l’étage radio-fréquence comportant la conversion numérique-analogique et la translation sous fréquence porteuse.
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Table des matières
I Introduction Générale
II Systèmes multi-porteuses et multi-antennes
II.1 La technique OFDM
II.1.1 Chaîne de transmission d’un système OFDM
II.1.2 Expression du signal OFDM
II.1.3 Préfixe cyclique (CP)
II.1.4 Avantages et inconvénients de l’OFDM
II.1.5 Conclusion
II.2 La technique MIMO
II.2.1 Principe de la technique MIMO
II.2.2 Codage temps-espace (STC)
II.2.2.1 Le code temps-espace en blocs (STBC)
II.2.2.2 Les codes temps-espace en treillis (STTC)
II.3 La combinaison MIMO-OFDM
II.3.1 Canal MIMO
II.3.2 Conclusion
II.4 La synchronisation
II.4.1 La synchronisation fréquentielle
II.4.1.1 Le décalage de la fréquence porteuse (Carrier Frequency Offset (CFO))
II.4.1.2 Etudes antérieures sur la synchronisation fréquentielle
II.4.2 La synchronisation temporelle
II.4.2.1 Etudes antérieures sur la synchronisation temporelle
II.5 Conclusion
III Séquences de synchronisation
III.1 Introduction
III.2 Les différentes séquences existantes
III.2.1 Séquences pseudo-aléatoires (Pseudo Noise Sequence (PN))
III.2.2 Les séquences de Gold
III.2.2.1 Fonctions de corrélation des séquences de Gold
III.2.3 Les séquences de Walsh-Hadamard
III.2.4 Les séquences CAZAC (Constant Amplitude Zero AutoCorrelation)
III.2.5 Les séquences TCH (Tomlinson, Cercas and Hughes)
III.2.6 Les séquences ZCZ (Zero Correlation Zone)
III.3 Critères pour sélectionner une séquence particulière
III.4 Conclusion
IV Les méthodes proposées
IV.1 Système de transmission
IV.1.1 Modélisation du canal de propagation
IV.1.2 Modélisation du signal reçu
IV.2 Les techniques proposées pour la synchronisation temporelle
IV.2.1 Méthodes de préambule court (Génération dans le domaine temporel)
IV.2.1.1 Première structure de préambule court (P r_Court_1)
IV.2.1.2 Deuxième structure de préambule court (P r_Court_2)
IV.2.1.3 Algorithme de détection de pic de synchronisation
IV.2.2 Méthodes de préambule compact (Génération dans le domaine fréquentiel)
IV.2.2.1 Première structure de préambule compact (P r_Compact_1)
IV.2.2.2 Deuxième structure de préambule compact (P r_Compact_2)
IV.2.2.3 Troisième structure de préambule compact (P r_Compact_3)
IV.2.2.4 Quatrième structure de préambule compact (P r_Compact_4)
IV.2.2.5 Algorithme de détection de pic de synchronisation 96
IV.2.3 Méthodes de zéro padding
IV.2.3.1 Première structure de zéro padding (Z_P ad_1)
IV.2.3.2 Deuxième méthode de zéro padding (Z_P ad_2)
IV.3 Conclusion
V Les résultats de simulation
VI Conclusion Générale
