Brevet FR2805942A1 — publié le 20010907

PROCEDE D'EGALISATION DANS DES RECEPTEURS UTILISANT UNE COMBINAISON DES TECHNIQUES DE MODULATIONS A PORTEUSES MULTIPLES ET A ACCES MULTIPLE PAR REPARTITION DE CODES. 1. Domaine genéral de l'invention Le domaine de l'invention est celui de la transmission, et plus précisément de la réception, de signaux numériques multiporteuses. L'invention concerne - sentiellement l'égalisation, ou la détection, dans des récepteurs de signaux repo sant sur une combinaison des techniques de modulation à porteuses multiples et accès multiple répartition de codes. Le développement et la mise au point de techniques permettant le transfert de données multimédia à haut débit pour un grand nombre d'utilisateurs simul tanés est primordiale pour les générations futures de communications hertziennes. Le but recherché est de développer de nouvelles techniques de transmissions hert ziennes permettant de satisfaire toujours mieux aux contraintes d'efficacité spec trale liées à la pénurie du spectre et au nombre croissant d'utilisateurs. Une approche connue consiste à rechercher une combinaison optimale des techniques de modulations à porteuses multiples à grande efficacité spectrale type OFDM) et des techniques d'Accès Multiples par Répartition de Codes (de type AMRC). nouvelles techniques pourront s'appliquer aussi bien aux syst èmes de radiocommunications mobiles (de type UMTS et post UMTS) qu'aux systèmes de communications à l'intérieur des bâtiments pour en augmenter la ro bustesse et la capacité de transmission. 2. Etat de l'art 2.1 Contexte scientifique Depuis 1993, quelques contributions proposant une combinaison des techni ques de modulations à porteuses multiples et à étalement de spectre ont été pu bliées par quelques équipes internationales [1]. Ainsi, il existe trois familles de systèmes de transmission connues à ce jour combinant les techniques OFDM et AMRC : l'AMRC multiporteuses ou MC-CDMA (Multi-Carrier CDMA), l'AMRC multipilotes ou MT-CDMA (Multi-Tone CDMA) et l'AMRC multipor- teuses à séquence directe ou MC-DS-CDMA (Multi-Carrier Direct-Sequence CDMA). Elles se distinguent par la manière dont elles combinent fonctions OFDM et AMRC, par leur technique d'étalement ou d'accès multiples et par leur répartition fréquentielle. L'invention proposée s'applique notamment, mais non exclusivement, à la pre mière de ces familles, l'AMRC multiporteuses ou MC-CDMA. 2.2 Description d'un système MC-CDMA Dans le modulateur MC-CDMA représenté sur la figure 1, et conu en lui- même. le flux. de données est tout d'abord étalé dans le domaine frequentiel en utilisant un code d'étalement, puis transmis sur les différentes sous-porteuses du multiplex OFDM. Une fraction de chaque donnée d'origine, correspondant à un chip du code d'étalement de longueur L, est ainsi transmise par chacune des Np sous-porteuses. Ainsi chaque symbole .', affecté à l'utilisateur j (avec j = l ,....Nu) transmis durant l'intervalle n, est multiplié par son code d'étalement spécifique de type Walsh-Hadamard CJ c,"@J' de longueur Lc, où f l' signifie vecteur transposé. Lc est le facteur d'étalement et est égal au nombre maximal d'utilisa teurs transmis simultanément. Le vecteur des symboles transmis durant le n" symbole OFDM par tous les utilisateurs peut s'écrire X" = f.@@,.r@,.... "P...,_r",,1' avec = 0 quand l'utilisateur j n'est pas actif. La matrice des codes C est alors égale à où le j"""' vecteur colonne de C correspond au code d'étalement Cj de l'utilisateur j. Dans le cas d'une liaison descendante où les différents signaux s'adressant aux différents utilisateurs sont émis de façon synchrone, les codes utilisés sont généralement choisis orthogonaux, ce qui permet d'obtenir en réception une meilleure réjection des interférences entre utilisateurs. Ainsi, avec des codes de Walsh-Hadamard, le nombre maximal d'utilisateurs est égal au nombre de chips par code. Généralement, le nombre L,. de chips du code d'étalement est choisi égal au nombre NP de sous-porteuses mais des varian tes sont possibles pour mieux adapter le signal au canal. 2.3 Les techniques de détection 2.3.1 Les techniques "traditionnelles" de détection mono-utilisateurs Dans un récepteur MC-CDMA, le désétalement est réalisé dans le domaine fréquentiel après l'opération de Transformée de Fourier Directe (figure 1). L'utilisation de codes orthogonaux, tels que les codes de Walsh-Hadamard dans le cas d'un système synchrone, garantit dans un canal parfait l'absence d'interférences d'accès multiple. En revanche, lors d'une transmission dans un canal sélectif en fréquence, l'orthogonalité entre les codes est détruite ce qui crée une interférence entre utilisateurs. Dans l'hypothèse où la durée de l'intervalle de garde est plus longue que l'étalement de la réponse impulsionnelle du canal, et que celui ' varie lentement par rapport à la durée du symbole, l'effet du canal sur la k"` sous-porteuse peut être approximé sur toute la durée symbole par h, pk e` '. Dans cas, la matrice du canal est diagonale et égale à N = f n,,n,,...,nvpJT est le vecteur représentant les termes de bruit avec nk représen tant le terme de bruit affectant la sous-porteuse k et de variance donnée par av2 E{In,lzj, k = I, .... Np. Le vecteur reçu est alors R = (r,,r2,...,r,"PJT H.C.X + N matrice G de dimension NpxNp est la matrice des coefficients d'égalisation. Les techniques de détection mono-utilisateur consistent à détecter le signal utile sans prendre en compte l'interférence entre utilisateurs. Après l'opération Transformée de Fourier Directe, le signal reçu est égalisé dans le domaine frequentiel en multipliant chaque symbole reçu par un coefficient gk propre à cha que sous-porteuse, dans le but de compenser l'atténuation pk et le déphasage 0k introduits par le canal à la fréquence considérée. Les différentes méthodes de détection sont les suivantes (liste non exhaustive) # Maximum Ratio Combining (MRC) : la méthode MRC est optimale vis à vis du taux d'erreurs dans le cas où un seul utilisateur est actif. Elle consiste à multiplier chaque symbole par la réponse complexe conjuguee du canal gk - hk # Equal Gain Combining (EGC) : la technique de détection EGC corrige uniquement la distorsion de phase du canal gk - hk 1Ihk # Orthogonality Restoring Combining (ORC) ou Zero Forcing (ZF) technique ORC permet d'éliminer intégralement l'interférence entre utili sateurs en restituant l'orthogonalité entre les différents codes d'étalement. Dans ce cas, les coefficients sont égaux à gk - l1hk Cependant, le principal inconvénient de cette méthode est que, pour faibles amplitudes de hk, la multiplication par une fonction inverse du rial se traduit par une forte amplification du bruit, ce qui dégrade rapide ment le taux d'erreurs. # Controlled equalization (CE) ou Threshold ORC (TORC) : la techni- CE consiste à multiplier le signal reçu par la fonction inverse du canal uniquement lorsque le module 1 Hk 1 de la réponse fréquentielle du canal pour la porteuse considérée dépasse un certain seuil. Une amélioration de procédé peut être obtenue en appliquant l'EGC pour les porteuses ayant été fortement atténuées, ce qui permet de compenser la distorsion de phase du canal pour les sous-porteuses considérées. 23.2 La technique classique de détection selon le critère du minimum de l'Erreur Quadratique Moyenne (Minimum Mean Square Error ou MMSE) L'égalisation classiquement proposée en MC-CDMA selon le critère MMSE a pour but de minimiser indépendamment sur chaque porteuse k la valeur quadrati que moyenne de l'erreur sk entre le signal transmis sk et son estimation sk gk. 1-k générée sortie de l'égaliseur Lorsque le nombre d'utilisateurs est égal à la longueur L, du code, il en résulte que les coefficients de l'égaliseur selon le critère de la minimisation de l'erreur quadratique moyenne sont égaux à [2] où y, est rapport signal à bruit pour la sous-porteuse k. Lorsque le nombre d'utilisateurs Nu est inférieur à la longueur L,. du code, coefficients de l'égaliseur selon le critère de la minimisation de l'erreur quadrati que moyenne sont égaux à [2] où yxest le rapport signal à bruit du symbole transmis x. Pour les faibles valeurs de 1 hk 1 , le coefficient d'égalisation faible, ce qui évite une amplification excessive du bruit. En revanche, pour les fortes valeurs de 1 hk 1 , le facteur de correction est proportionnel à l'inverse 1I 1 hk 1 la réponse du canal, dans le but de restituer complètement l'orthogonalité entre les utilisateurs. De la même façon que dans le cas des autres techniques de détection, la fonc tion d'égalisation est donc effectuée sur chaque sous-porteuse independamment en multipliant dans le domaine fréquentiel chacun des N, symboles générés en sortie de la FFT par un seul coefficient gk propre à chaque sous-porteuse. 3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectif de proposer une nouvelle technique d'égalisation, ou de détection, qui soit plus efficace que les techniques connues présentées ci-dessus, en particulier lorsque le système ne fonctionne pas à pleine charge. 4. Présentation de l'invention Cet objectif, ainsi que d'autres qui apparaîtront plus clairement par la suite, sont atteints à l'aide d'un procédé de réception d'un signal mettant en oeuvre une modulation à porteuses multiples et à accès multiple par répartition de codes, du type comprenant une étape de démodulation par application d'une transformation mathématique du domaine temporel vers le domaine fréquentiel, étape d'éga lisation (ou de détection) du signal transformé et une étape de désétalement du signal égalisé. Selon l'invention, ladite étape d'égalisation tient compte, pour chacune des composantes dudit signal transformé, des perturbations affectant la porteuse por tant ladite composante et au moins une autre desdites porteuses. Ainsi, l'égalisation est effectuée selon une approche tout à fait différente des techniques connues, qui reposent simplement sur l'application d'un unique coeffi cient multiplicateur sur chaque composante. Selon l'invention, on tient compte de l'ensemble des perturbations du canal de transmission, ou à tout le moins des per turbations dues à certaines des porteuses (classiquement les voisines de celle considérée). On vérifie que cette technique permet d'obtenir de meilleurs résultats, notam ment lorsque le système ne fonctionne pas à pleine charge. De façon avantageuse, ladite étape d'égalisation met en #uvre une matrice d'égalisation portant des coefficients d'égalisation représentatifs du canal de transmission, au moins certains des coefficients autres que coefficients de la diagonale de la matrice étant parfois non nuls. Il est ainsi aisé de mettre en #uvre la technique de l'invention, dans les récepteurs. Avantageusement, les coefficients ladite matrice de ponderation sont déter minés selon la technique de filtrage de Wiener. Lorsque procédé de réception met en #uvre une technique de détection multiutilisateur, selon laquelle les différents codes d'étalement multiples utili sateurs sont connus du récepteur, la même technique d'égalisation est avantageu sement également utilisée dans une étape d'annulation de l'interférence due aux autres canaux celui traité. Dans ce , ladite étape d'annulation peut être itérative, comprendre au moins deux étages d'égalisation successifs. L'invention concerne également le procédé d'égalisation mis en #uvre dans le procédé de réception décrit ci-dessus, ainsi que les dispositifs de réception mettant en #uvre ces procédés. S. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus claire ment à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 présente un synoptique général d'une chaîne de transmission et de réception MC-CDMA, de type connu ; - la figure 2 illustre un synoptique général d'une chaîne de transmission et de réception MC-CDMA selon l'invention ; - la figure 3 est une comparaison des performances de différentes techniques de détection. 6. Description d'un mode de réalisation préférentiel 6.1 La nouvelle technique de détection p posée (le MMSE matriciel Cette nouvelle technique de détection a donc pour but de minimiser l'erreur quadratique moyenne globalement sur 'ensemble du signal reçu. Si on appelle Wj [W@O,W,',.... WiNp1 le vecteur de pondération optimal, le symbole restitué au utilisateur peut s'écrire Selon le filtrage de Wiener, le vecteur pondération optimal est égal à où TR,R est la matrice d'autocorrélation du vecteur R reçu et I'R"rj est le vecteur d'intercorrélation entre le symbole, x, et le vecteur du signal reçu, R. Ces quantités sont égales à AR,R = EfR-.RT J= Hf.C.EIX*.XT 1CT.H + EIN'.NT 1 ÂR,x. = EIR-.x, J= H'.C.EIX'.x, (12) où ()* signifie complexe conjugué. Le vecteur de pondération optimal est alors égal à W T J#Xj.X-T 1 CTH-.(H - E C. E tX.X -T C 1_. H' + E tN. N'T ' (13) J Si les différents bruits affectant les sous-porteuses ont la même variance et sont indépendants, alors EfNN*T = QN'1 ' I est la matrice identité. Si les différents signaux des utilisateurs ont la même puissance (E@x j2} = E ) et sont indépendants, on peut écrire que E f X.X"`T} = ESA, ou A = @a;j} est une matrice diagonale avec aji = 1 si l'utilisateur j est actif et a., = 0 si l'utilisateur j est inactif. La matrice des coefficients d'égalisation est alors égale à Bien sûr, les conditions citées dans le paragraphe précédent sur la variance l'indépendance des bruits affectant les différentes sous-porteuses d'une part et sur la puissance des signaux ne sont absolument pas nécessaires pour valider l'appro che. Dans cas de la pleine charge (Nu = L,.), la quantité C.A.C' est égale à la ma trice identité et la matrice G des coefficients d'égalisation est alors une matrice diagonale avec le coefficient d'égalisation de la k` sous-porteuse égal à l'expres sion (8) donnée dans le paragraphe précédent. En revanche, dans tous les cas où Nu L, avec N4 ;e 1, la quantité C.A.CT n' pas une matrice identité et la matrice G des coefficients d'égalisation n'est pas matrice diagonale. Le récepteur proposé est alors conforme au schéma de la figure 2. La matrice G est une matrice de dimension Np x N,,. La méthode proposée consiste donc non pas à multiplier chaque symbole généré en sortie de la FFT par un coefficient propre à chaque sous-porteuse, mais à traiter le vecteur signal dans sa globalité conformément au calcul précédent en le multipliant par la - trice G. 6.2 Application aux techniques de détection multiutilisateurs Ces techniques de détection s'appuient sur l'hypothèse importante que les diff érents codes d'étalement des multiples utilisateurs sont connus du récepteur. Il existe principalement deux grandes catégories de détecteurs : les détecteurs maximum de vraisemblance (Maximum Likelihood Detectors MLD) et les détec teurs à annulation d'interférences. Les détecteurs à annulation d'interférence de type parallèle ou série cherchent estimer I interférence due aux autres signaux afin de retrancher cette interférence multi-utilisateur du signal reçu. Ce procédé peut être mis en aeuvre de façon itéra tive, à l'aide de plusieurs étages de détection successifs. Différentes techniques détection peuvent ainsi être combinées dans les différents étages. Le nouveau procédé proposé pour la mise en ceuvre de l'algorithme de détection MMSE peut être choisi à chaque étage d'un détecteur multi-utilisateur à annulation d'interf érences. Dans ce cas, la matrice A de l'équation (14) doit être optimisée de façon spécifique à chaque étage. 6.3 Exemple de résultats Les résultats présentés sont obtenus avec des processus de Rayleigh indépen dants et de même puissance sur chaque sous-porteuse, le canal etant considéré non sélectif en fréquence sur chacune de ces sous-porteuses. Le bruit blanc additif gaussien est aussi généré par des processus de même puissance et indépendants pour chaque sous-porteuse Les codes utilisés sont de Walsh-Hadamard et le co dage binaire à signal est celui d'une MDP4. La figure 3 présente les performances de différentes techniques de détection mono-utilisateurs avec L, = 64 en prenant en compte l'efficacité spectrale en fonction du rapport Eb/No nécessaire pour obtenir un TEB = 10-'. L'efficacité spectrale maximum est égale à 2 bit/s/Hz, correspondant à système à pleine charge (Nu = Lc Np), car les pertes dues à l'intervalle de garde, la synchronisa tion et l'estimation de canal (porteuses pilotes par exemple) ne sont pas prises en compte. La courbe (b) donne les performances du système MMSE traditionnel avec les coefficients d'égalisation optimisés indépendamment sur chaque sous-porteuse conformément à l'expression (9) à raison d'un coefficient par sous-porteuse. La courbe (a) correspond aux performances du nouveau système MMSE utilisant l'approche matricielle avec les coefficients de la matrice d'égalisation donnés par l'expression (14). A pleine charge (Nu = 64), les performances des deux systèmes MMSE sont identiques. En revanche, lorsque le système n'est pas à pleine charge (Nu Références [1] S. Hara, R. Prasad, "Overview of multicarrier CDMA", IEEE Communications Magazine, December 1997, pp 126- [2] S. Kaiser, "Analytical performance evaluation of OFDM-CDMA mobile radio systems", Proceedings First European Personal and Mobile Communications Conference (EPMCC'95), Bologna, Italy, November 1995, p 215-220. REVENDICATIONS 1. Procède de réception d'un signal mettant en oeuvre une modulation à por teuses multiples et à accès multiple par répartition de codes, du type comprenant une étape de démodulation par application d'une transforma tion mathématique du domaine temporel vers le domaine fréquentiel, une étape d'égalisation signal transformé et une étape de désétalement du signal égalisé, caractérisé en que ladite étape d'égalisation tient compte, pour chacune des composantes dudit signal transformé, des perturbations affectant la porteuse por tant ladite composante et au moins une autre desdites porteuses. 2. Procédé réception selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape d'égalisation met en oeuvre une matrice d'égalisation portant des coefficients d'égalisation représentatifs du canal de transmission, au moins certains des coeffi cients autres que les coefficients de la diagonale de la matrice étant parfois non nuls. 3. Procédé de réception selon la revendication 2, caractérisé en ce que les coefficients ladite matrice de pondération sont déterminés selon la technique de filtrage de Wiener: 4. Procédé de réception selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, type mettant en oeuvre une technique de détection multiutilisateur, selon laquelle les différents codes d'étalement des multiples utilisateurs sont connus du récep teur, caractérisé en ce que la même technique d'égalisation est également utilisée dans une étape d'annulation de l'interférence due aux autres canaux que celui traité. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite étape d'an nulation est itérative, et comprend au moins deux étages d'égalisation successifs. 6. Procédé d'égalisation mis en oeuvre dans le procédé de réception selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Dispositif de réception mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.