Brevet FR2894415A1 — publié le 20070608

La présente invention se rapporte de manière générale aux communications dites numériques, qui font partie du domaine des télécommunications. Les communications numériques comprennent en particulier les communications sans fil 10 dont le canal de transmission est le canal aérien ainsi que les communications filaires. Au sein de ce domaine, l'invention se rapporte aux procédés d'émission et plus particulièrement aux techniques d'émission de signaux multiplexés par division d'espace SDM, acronyme anglais de Space Division Multiplexing, dans un système de communication à entrées multiples et sorties multiples MIMO, acronyme anglais de 15 Multiple Input Multiple Output. Les systèmes MIMO peuvent être associés à différentes techniques de transmission telle des techniques à porteuses multiples du type OFDM (acronyme anglais de Orthogonal Frequency Division Multiplexed), du type OFDMA (acronyme anglais de Orthogonal Frequency Division Multiplexed Access), des techniques mono 20 porteuse du type par exemple SC-FDE (acronyme anglais de Single Carrier with Frequency Domain Equalization) ou des techniques à code du type MCCDMA(acronyme anglais de Multi Carrier Code Division Multiple Access). Un système MIMO comprend Nt antennes d'émission TX et Nr antennes de réception RX séparées par un canal de transmission pour transmettre des données. 25 Quand une technique de multiplexage spatial est utilisée à l'émission le codage est effectué par branche, technique plus connue sous l'acronyme anglais PAC de Per-Antenna-Coding. Un système MIMO classique ne comprend pas de boucle de retour informant l'émetteur des conditions de transmission du canal. Dans ce cas, l'émetteur émet en 30 boucle ouverte et tout le traitement pour récupérer la séquence émise est effectué à la réception. L'avantage de ce système réside dans la simplicité de l'émetteur. Des systèmes MIMO récents incluent une boucle de retour. C'est le cas par exemple des systèmes à formation de voie dont le lobe principal pointe dans la direction supposée de l'antenne de réception. Une telle technique permet de concentrer 35 l'énergie dans une direction pr., ~,:. Mais, dans certaines conditions de propagation telles que celles rencontrées lors de transmissions dans des lieux fermés, typiquement du type WLAN, il s'avère qu'il n'existe pas de direction de propagation privilégiée du fait de la spécificité de l'environnement. La concentration de l'énergie dans une direction donnée peut donc aboutir dans ces cas à une perte notable du gain de réception. En outre, ces systèmes MIMO n'effectuent pas de multiplexage par division d'espace. Ainsi, l'invention a pour objectif de proposer un procédé d'émission pour un émetteur d'un système MIMO effectuant un multiplexage par division d'espace qui permette d'ajuster plus efficacement que les procédés connus la puissance émise sur les différentes antennes d'émission. Le procédé proposé est un procédé d'émission pour un système à Nt antennes d'émission et Nr antennes de réception séparées par un canal de transmission, avec N, Nt qui effectue un multiplexage par division d'espace d'un signal â émettre sur au moins une porteuse et sur les Nt antennes d'émission. Le signal est émis sur les différentes antennes d'émission avec une puissance déterminée par antenne. Le procédé détermine un jeu de puissances émises respectant une répartition spatiale optimale entre les antennes d'émission de la puissance totale émise en fonction d'une minimisation d'un critère d'erreur globale en considérant, par porteuse, un canal de transmission mono trajet décorrélé entre les différents couples formés d'une antenne d'émission et d'une antenne de réception et en considérant que la somme des puissances du jeu déterminé est égale au produit du nombre d'antennes d'émission et de la puissance moyenne émise. Ln procédé d'émission selon l'invention est adapté pour un système a Nt antennes d'émission et Nr antennes de réception séparées par un canal de transmission, qui émet sur les Nt antennes d'émission après un multiplexage par division d'espace d'un signal à émettre. En recherchant un jeu de puissances émises qui permette de minimiser un critère d'erreur globale, typiquement un taux d'erreur bit globale. BER. un procédé selon l'inv ention prend en compte les conditions de propagation pour ajuster la puissance émise sur les différentes antennes d'émission et permet par conséquent une distribution spatiale optimale dç la puissance émise qui permet d'améliorer l'efficacité du système. Le critère d'erreur globale qui est typiquement un BER (acronyme anglais-.de Bit.Era-or Rate) peut tout aussi 'bien être un PER (acronyme anglais de Packet Error est !. :;Ur Ur= lent 21711 lc t. 'Jans ., m sèmes convolutionnel, un turbo code ou un code LDPC. Dans ces systèmes dits codés, les deux critères d'erreur globale, BER et PER peuvent être utilisés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard de figures annexées données à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est un schéma bloc d'une modélisation d'un canal de transmission d'un système MIMO. La figure 2 est un schéma bloc d'un exemple d'implémentation logicielle d'un procédé selon l'invention dans un système MIMO. Une modélisation d'un canal de transmission d'un système MIMO est illustrée par le schéma bloc de la figure 1. Nt et Nr sont respectivement le nombre d'antennes d'émission et le nombre d'antennes de réception. En prenant en compte une modélisation de canal correspondant à un chemin avec un évanouissement plat, le signal reçu peut s'exprimer sous la forme : pq.xq +np V0 1, la matrice Gu = fi: est calculée. Les meilleures performances sont obtenues, d'après R.Van Nee et al, OFDM for wireless multimedia communications , Artech House 2000, quand le processus sélectionne l'élément lié à une antenne de transmission spécifique qui permet d'obtenir le rapport de signal à bruit, SNR, après détection le plus fort, ce qui est préférable à choisir de manière arbitraire un élément à détecter en premier. Cette condition revient à choisir la matrice G avec la norme minimale sur sa diagonale : 2 ku = arg min (Gu)] et (6) je{I,N,-u+1} Wk = (G u )k, (`) avec wku la kU colonne de G,,. La multiplication de wk avec les vecteurs des signaux reçus -u supprime tous 25 les éléments excepté celui émis par l'antenne k,,. Dans ce cas, on obtient : x."r = w7_ k,; u (8) Dès qu'un élément est détecté, il est possible d'améliorer le procédé de détection pour les éléments suivants. En soustrayant une partie du signal détecté du 30 vecteur des signaux reçus, on diminue le nombre d'élément devant être annulé pendant l'étape suivante. Le vecteur reçu devient : Yu+3 = Yu Q(xkst) (Hu) kexpression dans laquelle Q représente la valeur du sbole détecté, 4 (5) (9) La kuième colonne du canal (Hu )k n'étant plus nécessaire, elle est éliminée. Cette étape se traduit par l'expression : k H ( ,~+, = H 10) Les étapes correspondant aux équations (6) à (10) sont répétées pour u=u+ 1 jusqu'à ce que u=Nt. Un quatrième algorithme de détection dit MMSE V-BLAST, est proche du précédent algorithme. Seule la matrice définie par l'équation (10) est modifiée comme il suit : G = (al +H*H)-IH* (11) expression dans laquelle a est la variance du bruit (dans le cas où la variance du symbole émis est égale à zéro). Un cinquième algorithme dit du maximum de vraisemblance consiste à comparer le signal reçu avec tous les vecteurs émis possibles (et modifiés par H) et à estimer les données émises selon le critère du maximum de vraisemblance. Ceci se résume par l'expression : = arg min F ùH.x~ 2 (12) X~ E{5~, 5p } Cet algorithme est optimal pour récupérer les données émises. Toutefois, sa difficulté majeure réside dans sa complexité car tous les signaux émis possibles doivent être comparés au signal reçu. Ainsi, le nombre possible de valeurs augmente de manière exponentielle avec le nombre d'antennes d'émission. Par définition le BER est fonction du rapport signal sur bruit SNR (Signal to Noise Ratio), c'est-à-dire des conditions de transmission du canal et de la puissance émise dénotée pi, 1 faisant référence à la hème antenne d'émission. La relation entre le BER et le SNR peut être exprimée sous la forme f pl ), avec f une fonction exacte, ou estimée, de la relation existante entre le BER et les conditions de transmission du canal. En considérant un modèle de canal mono trajet décorrélé à évanouissement plat entre les différentes antennes d'émission et de réception, il est possible de considérer que les coefficients d'évanouissement sont indépendants pour chaque couple d'antennes d'émission et de réception. La relation entre le BER et le SNR peut dans ce cas être estimée sous la forme : .f(,3,,pi)=a.exp(ùb./3r•pr) (13) 6 avec A = (2' ù1 (14) n=o et a=0.2 et b=1.5 des coefficients heuristics. L'optimisation du critère d'erreur est faite en imposant la contrainte suivante : M -I , = M.P (15) .=o dans laquelle 1' représente la puissance émise moyenne. La puissance émise est la somme des puissances émises par la ou les antenne(s) d'émission. Typiquement le SNR à la reception est égal à : SNR= H12.P/N où H représente le gain de canal, P la puissance d'émission et N la variance du bruit. Le BER moyen devient minimal quand le BER est minimisé pour chaque valeur du canal. Pour déterminer la valeur minimale une solution consiste à utiliser un algorithme à Lagrangien, avec un Lagrangien construit de la façon suivante : 1 Nt-1 (Nt-1 (Po ••••, PNt-1 ) E f (Pm, pn, ) + E Pm ù Nt' -15 (16) Nt m=o m=0 Des solutions optimales sont obtenues en résolvant le système général suivant : â (Nt-1 (An,P,,) +2=0 m=0,...,Ntù1 Nt aPnt ,n,o (17) Nt-1 PM ù Nt.P = 0 M=0 Dans le cas de l'estimation du BER préalablement donnée, le système devient : 4Nfim.exp~ù2.Qm•P,r, + = 0 m = 0,..., Nt -1 Nt-1 ùNt.P = 0 =0 Ce système peut s'écrire sous la forme suivante : (18) ù 2 Nt-I 1 D Pl Nt.P +ù.L ù.hl b An m≠l (19) m-a 1+1A m=o PI = /' Dans le cas d'une transmission multi porteuses, typiquement OFDM, le procédé précédemment décrit est généralisé en prenant en compte un modèle de canal multi trajet et du type à évanouissement sélectif par exemple du type Rayleigh. La généralisation est faite en considérant que pour une porteuse d'un système multi porteuses le canal est équivalent à un canal du type à évanouis , constant sur chaque porteuse. De manière classique, le canal est supposé rester constant durant la transmission d'un paquet. L'expression précédente devient : Nt-1 //0~~11,9 1+n mx L~~ Nmq lJJII _ \ _ vt 1 Nt.P+ù. 1 .ln b m=Q Pm ,q In =1 (20) Où l'index q represente la dimension fréquentielle, c'est-à-dire la porteuse. Le procédé préalablement décrit est mis en oeuvre pour chaque fréquence porteuse. La figure 2 est un schéma bloc pour illustrer une implémentation logicielle d'un procédé selon l'invention dans un système MIMO. Le système Sy MIMO comprend selon l'illustration un émetteur EM, des antennes d'émission Tx, des antennes de réception Rx et un récepteur RE. Les antennes d'émission et de réception sont séparées par un canal de transmission CH. Des modules logiciels sont implémentés d'une part sur l'émetteur et d'autre part sur le récepteur. L'émetteur comprend un module de modulation Mo, un module série/parallèle S/P, un module d'allocation de puissance Pw. L'émetteur est couplé aux antennes d'émission. Le récepteur est couplé aux antennes de réception. Le récepteur comprend un module de détection De, un module parallèle/série PIS, un module de démodulation Dm, et un module de décision De. En émission, les données d'entrée, généralement issues d'un codage sont modulées par le module de modulation. Les données modulées sont mises en parallèle, typiquement sur autant de branches que d'antennes d'émission. La sortie du module de mise en parallèle alimente l'entrée du module d'allocation de puissance. Ce dernier détermine la puissance à allouer à chaque antenne d'émission en mettant en oeuvre un procédé selon l'invention. En réception, les signaux transmis sont captés par les antennes de réception. La sortie des antennes alimente un module de détection, du type par exemple zéro détecteur. Les signaux détectés, sortie du module de détection, alimentent le module parallèle/série pour y être sérialisés. La sortie de ce dernier module alimente le module de démodulation. Les signaux démodulés alimentent le module de décision. Le système MIMO peut mettre en oeuvre aussi bien une émission mono porteuse que multi porteuses, du type par exemple OFDM. Dans ce dernier cas, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre pour chaque porteuse et pour chaque bloc (c'est-à-dire pour chaque porteuse qui compose les symboles OFDM) et ce même avec un procédé à la réception de type itératif comme par exemple un algorithme BLAST ou de type non lineaire comme par exemple de type Maximum Likelihood Detection (MLD). Un procédé selon l'invention peut être implémenté par différents moyens. Par 5 exemple, le procédé peut être implémenté sous forme câblée (hardware), sous forme logicielle, ou par une combinaison des deux. Pour une implémentation câblée, le module de détermination d'un jeu de puissance utilisé pour exécuter les différentes étapes au niveau de l'émetteur peut être intégré dans un ou plusieurs circuits intégrés spécifiques (ASICs), dans des 10 processeurs de signaux (DSPs, DSPDs), dans des circuits logiques programmables (PLDs, FPGAs), dans des contrôleurs, micro- contrôleurs, microprocesseurs, ou tout autre composant électronique conçu pour exécuter les fonctions préalablement décrites. Pour une implémentation logicielle, quelques unes ou toutes les étapes d'un 15 procédé d'émission selon l'invention peuvent être implémentées par des modules logiciels qui exécutent les fonctions préalablement décrites. Le code logiciel peut être stocké dans une mémoire et exécuté par un processeur. La mémoire peut faire partie du processeur ou être externe au processeur et couplée à ce dernier par des moyens connus de l'homme de l'art. 20 En conséquence, l'invention a aussi pour objet un programme d'ordinateur, notamment un programme d'ordinateur sur ou dans un support d'informations ou mémoire, adapté à mettre en oeuvre l'invention. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet tel que dans une forme 25 partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable pour implémenter un procédé selon l'invention. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit 30 microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette (floppy dise) ou un disque dur. D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en 35 particulier téléchargé sur un réseau de type Internet, REVENDICATIONS I. Procédé d'émission pour un système à Nt antennes d'émission (Tx) et Nr antennes de réception (Rx) séparées par un canal de transmission (CHI), avec N1 Nt, effectuant un multiplexage par division d'espace d'un signal à émettre sur au moins une porteuse et sur les Nt antennes d'émission, le signal étant émis sur les différentes antennes d'émission avec une puissance déterminée par antenne, caractérisé en ce que ledit procédé détermine un jeu de puissances émises respectant une répartition spatiale optimale entre les antennes d'émission de la puissance totale émise en fonction d'une minimisation d'un critère d'erreur globale (BER, PER), en considérant, par porteuse, un canal de transmission mono trajet décorrélé entre les différents couples formés d'une antenne d'émission et d'une antenne de réception et en considérant que la somme des puissances du jeu déterminé est égale au produit du nombre d'antennes d'émission et de la puissance moyenne émise. 2. Procédé d'émission selon la revendication précédente, dans lequel la minimisation du critère d'erreur globale est effectuée au moyen d'un algorithme à Lagrangien. 3. Procédé d'émission selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le critère d'erreur globale correspond à un taux d'erreur bit globale (BER). 4. Procédé d'émission selon la revendication précédente, dans lequel le taux d'erreur bit globale est estimée par une fonction exponentielle. 5. Procédé d'émission selon la revendication précédente, dans lequel l'expression de la fonction exponentielle est la suivante : f~j ) = a. exp(ù b.A •nr ) avec i'1 = 1 N et (2 n=0 a=0.2 et b=1.5 des coefficients heuristics. 30 6. Procédé d'émission selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le critère d'erreur globale correspond à un taux d'erreur de packet globale (PER).25 7. Emetteur (EM) pour un système à Nt antennes d'émission (Tx) et Nr antennes de réception (Rx) séparées par un canal de transmission (CH), avec N1 N, , effectuant un multiplexage par division d'espace d'un signal à émettre sur au moins une porteuse et sur les Nt antennes d'émission, le signal étant émis sur les différentes antennes d'émission avec une puissance déterminée par antenne, caractérisé en ce que ledit émetteur comprend un module de détermination d'un jeu de puissances émises respectant une répartition spatiale optimale entre les antennes d'émission de la puissance totale émise en fonction d'une minimisation d'un critère d'erreur globale (BER, PER) en considérant, par porteuse, un canal de transmission mono trajet décorrélé entre les différents couples formés d'une antenne d'émission et d'une antenne de réception et en considérant que la somme des puissances du jeu déterminé est égale au produit du nombre d'antennes d'émission et de la puissance moyenne émise. 8. Système (Sy) de transmission comprenant Nt antennes d'émission (Tx) et Nr antennes de réception (Rx) séparées par un canal de transmission (CH), avec Nr N/ , et comprenant un émetteur (EM) effectuant un multiplexage par division d'espace d'un signal à émettre sur au moins une porteuse et sur les Nt antennes d'émission, le signal étant émis sur les différentes antennes d'émission avec une puissance déterminée par antenne, caractérisé en ce que ledit émetteur comprend un module de détermination d'un jeu de puissances émises respectant une répartition spatiale optimale entre les antennes d'émission de la puissance totale émise en fonction d'une minimisation d'un critère d'erreur globale (BER, PER) en considérant, par porteuse, un canal de transmission mono trajet décorrélé entre les différents couples formés d'une antenne d'émission et d'une antenne de réception et en considérant que la somme des puissances du jeu déterminé est égale au produit du nombre d'antennes d'émission et de la puissance moyenne émise. 9. Programme d'ordinateur sur un support d'informations, ledit programme comportant des instructions de programme adaptées à la mise en oeuvre d'un procédé d'émission pour un système (Sy) à Nt antennes d'émission (Tx) et Nr antennes de réception (Rx) séparées par un canal de transmission (CH), selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans un dispositif électronique. 10. Signal numérique destiné à être utilisé dans un émetteur (EM) d'un système (Sy) à Nt antennes d'émission (Tx) et Nr antennes de réception (Rx) séparées par un canal de transmission (CH), avec N,. , l'émetteur étant adapté pour effectuer un multiplexage par division d'espace d'un signal à émettre sur au moins une porteuse et sur les Nt antennesd'émission, le signal étant émis sur les différentes antennes d'émission avec une puissance déterminée par antenne, le signal numérique comprenant au moins des codes pour l'exécution par l'émetteur des étapes suivantes : détermination d'un jeu de puissances émises respectant une répartition spatiale optimale entre les antennes d'émission de la puissance totale émise en fonction d'une minimisation d'un critère d'erreur globale (BER, PER) en considérant, par porteuse, un canal de transmission mono trajet décorrélé entre les différents couples formés d'une antenne d'émission et d'une antenne de réception et en considérant que la somme des puissances du jeu déterminé est égale au produit du nombre d'antennes d'émission et de la puissance moyenne émise. 11. Support d'informations comportant des instructions de programme adaptées à la mise en oeuvre d'un procédé d'émission pour un système à Nt antennes d'émission et Nr antennes de réception séparées par un canal de transmission, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans un émetteur.