Brevet FR2916590A1 — publié le 20081128

SYSTÈME DE COMMUNICATION MIMO UWB DE TYPE INCOHÉRENT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne à la fois le domaine des télécommunications en ultra-large bande ou UWB (Ultra Wide Band) et celui des systèmes de télécommunication multi antennes, dits aussi MIMO (Multiple Input Multiple Output). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les systèmes de télécommunication UWB ont fait l'objet de recherches considérables ces dernières années. Ces systèmes ont pour spécificité de travailler directement en bande de base sur des signaux dits ultra-large bande. On entend généralement par signal UWB un signal conforme au masque spectral stipulé dans la réglementation du FCC du 14 Février 2002, révisée en Mars 2005, c'est-à-dire, pour l'essentiel, un signal dans la bande spectrale 3.1 à 10.6 GHz présentant une largeur de bande d'au moins 500MHz à -10dB. Les signaux UWB se divisent en deux catégories : les signaux multi-bande OFDM (MB-OFDM) et les signaux UWB de type impulsionnel. Un signal UWB impulsionnel est constitué d'impulsions très courtes, de l'ordre de quelques centaines de picosecondes à une nanoseconde. Par la suite, la description sera limitée aux systèmes UWB impulsionnels. Par ailleurs, les systèmes de type multi-antenne sont bien connus de l'état de la technique. Ces systèmes utilisent une pluralité d'antennes à l'émission et/ou à la réception et sont dénommés, selon le type de configuration adoptée, MIMO (Multiple Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) ou SIMO (Single Input Multiple Output). Par la suite nous emploierons le même terme MIMO pour couvrir les variantes MIMO et MISO précitées. L'exploitation de la diversité spatiale à l'émission et/ou à la réception permet à ces systèmes d'offrir des capacités de canal nettement supérieures à celles des systèmes mono- antenne classiques (ou SISO pour Single Input Single Output). Cette diversité spatiale est généralement complétée par une diversité temporelle au moyen d'un codage spatio-temporel (SIC). Dans un tel codage, un symbole d'information à transmettre se trouve codé sur plusieurs antennes et plusieurs instants de transmission. On peut distinguer : - les systèmes à réception cohérente, dans lesquels le récepteur connaît les caractéristiques du canal de transmission, typiquement grâce à une estimation de canal faite à partir de symboles pilotes transmis par le terminal émetteur. L'estimation de canal est ensuite utilisée pour la détection des symboles d'information. Les systèmes cohérents sont généralement destinés à des applications à haut débit ; - les systèmes à réception incohérente, dans lesquels le récepteur effectue une détection à l'aveugle des symboles d'information, sans connaissance préalable des caractéristiques du canal de transmission. Des systèmes MIMO à codage spatio-temporel utilisant des signaux de transmission UWB impulsionnels ont été proposés dans la littérature tant pour une réception cohérente que pour une réception incohérente. En particulier, l'article de L. Yang et al. intitulé Analog space-time coding for multi-antenna ultrawideband transmissions publié dans IEEE Trans. on Comm., Vol. 52, No. 3, Mars 2004, pages 507-517 décrit un système MIMO UWB à réception incohérente utilisant une modulation PPM (Pulse Position Modulation) pour coder les symboles de transmission sur chacune des antennes. Dans le système préconisé, pour un terminal utilisateur donné possédant P antennes, le signal émis par une antenne pE {1,..,P} pour transmettre un symbole s appartenant à un alphabet de modulation PPM, peut s'écrire pendant un temps symbole T : Nf-1 sp(t) = Lapfw(tùnTf ùcnT ùse) n=0 où w(t) est la forme de l'impulsion élémentaire, T = NTf est le temps symbole, constituée de N trames de durée Tf, tco,c1,..,cNf_1} est une séquence d'accès propre à l'utilisateur donnant les sauts temporels cnT où T est la durée de la bribe (chip) élémentaire, s est une position PPM appartenant à e T est l'écart temporel séparant deux positions PPM consécutives, tap0,ap1,...,apNf_1~, p=1,..,P sont des séquences de modulation, par exemple de modulation BPSK, permettant de rendre orthogonaux les signaux émis par les (1) différentes antennes. Le signal donné par l'expression (1) est dit de type TH-UWB (Time Hopped UWB) car la séparation des différents utilisateurs est assurée par des séquences orthogonales de sauts temporels. Les Figs. 1A et 1B illustrent les signaux de transmission émis par deux antennes d'un terminal utilisateur, pour un même symbole PPM. La séquence de l'utilisateur est ici en =7,1,4,7 et la position PPM s = 0 . On remarque que les séquences de pondération BPSK respectives de ces deux antennes, exprimées sous forme vectorielle al=(+l,+l,+l,+l) et a2 =(+1,û1,+1,û1), sont bien orthogonales entre elles à l'émission, c'est-à-dire a1az = 0 O. Le système précédemment décrit permet d'atteindre une diversité maximale sans nécessiter une estimation de canal. Il se prête donc théoriquement bien à une réception incohérente. Toutefois l'utilisation de séquences de modulation BPSK pour séparer les signaux des différentes antennes d'un même terminal utilisateur nécessite de pouvoir récupérer l'information de polarité au niveau du récepteur. Or, étant donné la très courte durée des impulsions utilisées, il est extrêmement difficile de récupérer une information de phase dans un signal UWB. De surcroît, la modulation BPSK utilisée à l'émission conduit à inverser la polarité de certaines impulsions, comme on peut le voir sur les Figs. 1A et 1B. Cela revient en fait à utiliser non pas un alphabet de modulation PPM classique mais un alphabet composite dont chaque symbole est défini à la fois par une position d'impulsion et un signe, d'où une plus grande complexité du modulateur. L'objectif de la présente invention est par conséquent de proposer un système MIMO-UWB à codage spatio-temporel, simple et robuste, à réception incohérente, permettant une séparation des différents signaux d'antennes sans nécessiter de récupérer l'information de phase à la réception. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un procédé de codage spatio-temporel pour un système de télécommunication UWB impulsionnel possédant une pluralité P d'éléments radiatifs. Ce procédé associe à toute combinaison s1,s2,...,s. de P symboles appartenant à un alphabet de modulation PPM à M positions de modulation avec M > P +1, le code spatio-temporel défini par la matrice: ( s1 s2 Sp S Sp S1 Sp_ ~SZs2 ilsp s1 ~ à une permutation près de ses lignes et/ou de ses colonnes, les symboles de chaque colonne de ladite matrice étant destinés à être émis par un élément 25 radiatif donné et les symboles de chaque ligne de ladite matrice étant destinés à être émis pendant une utilisation de canal donnée, où il est une permutation C= des positions de modulation et les symboles s1,s2,...,s. obéissent à la contrainte : si= si pour i, j = 1,..,P avec i ~ j = s i pour i = 2,..,P et j =1,...,i -1 . Les positions de modulation respectives sl,s2,...,sp des symboles s1,s2,...,s. vérifient avantageusement la contrainte 0 Lesdits éléments radiatifs peuvent être des antennes UWB, des diodes électroluminescentes ou des diodes laser. Enfin l'invention concerne également un terminal de réception comprenant une ou plusieurs (Q) antennes de réception, dans lequel le signal reçu par chaque antenne est filtré par une batterie de filtres adaptés à une pluralité KP de signaux TH-UWB définis à un coefficient multiplicatif près par : sp ~(t) = w(tûnTf -8(mûcp ')e) Nf n=0 m=0 1 Nt L pour une pluralité P d'utilisations v=O,..,Pû1 du canal, où cp lE {0,..,Mû1} est définie comme la position de modulation du symbole PPM en v-ième ligne et p-ième 10 de la matrice C= s1 s2 SZsp s1 s p spù1 ils2 ilsp s1 ~ avec la contrainte 0 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : les Figs. 1A et 1B montrent les signaux transmis pas deux antennes d'un système MIMO-UWB connu de l'état de la technique ; la Fig. 2 montre un exemple de code spatio- temporel selon l'invention ; la Fig. 3 illustre un émetteur d'un système MIMO utilisant un codage spatio-temporel selon un mode de réalisation de l'invention ; la Fig. 4 illustre un récepteur d'un système MIMO adapté à décoder un code spatio-temporel selon un mode de réalisation de l'invention ; la Fig. 5 montre le taux d'erreur symbole en fonction du rapport signal à bruit pour un système mono-antenne et un système multi-antenne utilisant le codage spatio-temporel selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est d'utiliser dans un système MIMO-UWB de type impulsionnel un code spatio-temporel dont les éléments appartiennent à un sousensemble d'un alphabet de modulation PPM et d'assurer l'orthogonalité entre les signaux émis grâce à un mécanisme de permutation des positions de modulation. Nous considérons à nouveau un système MIMO UWB impulsionnel et plus particulièrement un terminal utilisateur à P antennes d'émission. Dans la suite, nous représenterons de manière 5 conventionnelle un code spatio-temporel sous la forme matricielle : / o o 0 \ C1 C2 Cp 1 1 1 C1 C2 Cp p-1 P-1 P-1 ~Cl C2 Cp 10 où les éléments cp , p =1,..,P , n = 0,..,Pù1 sont les symboles de transmission modulant les signaux des différentes antennes. Plus précisément, chaque colonne de la matrice correspond à une antenne et chaque ligne de celle-ci correspond à un instant d'utilisation du 15 canal (Per Channel Use ou PCU). Ainsi le symbole cp sera émis par l'antenne p pendant le (11+1) ième PCU. Selon un mode général de réalisation, le code spatio-temporel proposé est défini par la matrice : c= (2) 20 c= ( s1 s2 sp ilsp s1 sP_1 (3) SLs2 ilsp s1 ~ où les éléments s1,s2,...,sp sont des symboles d'un alphabet de modulation PPM, de cardinal J I, obéissant à une contrainte donnée plus loin et il est une permutation 25 des positions de modulation. On appelle permutation des positions de modulation toute bijection de l'ensemble des positions de modulation sur lui-même, autre que l'identité. La contrainte précitée pesant sur les symboles s1,s2,...,s. s'exprime de la manière suivante : s1≠s. pour i, j =1,..,P avec i≠ j ils,≠si pour i=2,..,P et j=1,...,iû1 (4) Il est essentiel de comprendre que, si les symboles s1,s2,...,s. obéissent à la contrainte (4), alors C définie à chaque modulation respectives des symboles transmis par les différentes antennes sont l'orthogonalité maximale du code On noteradistinctes, ce qui se traduit par des signaux émis et une diversité spatio-temporel. que cette propriété est conservée si l'on permute les lignes et/ou les colonnes de la matrice C. En effet, la permutation de deux lignes revient à permuter deux instants de transmission et la permutation de deux colonnes revient à permuter deux antennes. Ces deux opérations conservent bien entendu la propriété d'orthogonalité des signaux émis. Dans la suite, on se référera indifféremment à un symbole PPM soit en donnant sa position de modulation sp E {0,..,Mû1} soit au moyen de sa représentation vectorielle sp =(sp,sp,..,sp-1)T où sp =8(mûsp) et 8() est la 30 distribution de Dirac. On comprendra que ce dernier vecteur a toutes ses composantes nulles sauf une égale à 1, indiquant la position de modulation du symbole en question. Selon un mode avantageux de réalisation la 5 permutation il est une permutation circulaire. En adoptant cette représentation vectorielle, fl peut s'écrire sous la forme d'une matrice de taille MxM (0 0 0 1' 1 0 0 0 0 1 0 (5) 0 0 0 1 0 où IM_ixM_1 est la matrice identité de taille MûlxMû1, O1> La Fig. 3 illustre schématiquement un émetteur 5 d'un système MIMO-UWB utilisant un code spatio-temporel selon un mode de réalisation de l'invention. L'émetteur 300 reçoit des trames de symboles d'information notés al, a2,..., a~ où - pour la première utilisation du canal (PCU) . 30 Nfù1 s1(t) = Lw(tûnTf û cfT~ ûsic) ( 10 ) n=0 - pour la seconde utilisation du canal : Nfù1 s1(t) = Lw(tùnTf ù CfT( ù o)(sP)e) n=0 avec w(s)=s+1[M] où [.H désigne l'opération modulo. et ainsi de suite jusqu'à la Pième utilisation du canal : Nfù1 s1(t) = L w(t û nTf û cfT(. û (0(s2 )e ) (12) n=0 Les signaux issus des autres modulateurs s'obtiennent mutatis mutandis à partir des autres colonnes de la matrice C. Les signaux des différents modulateurs sont ensuite transmis par des éléments radiatifs 3401,..., 340p, par exemple des antennes UWB, des diodes électroluminescentes, ou des diodes laser. Les signaux ainsi transmis peuvent être décodés par un dispositif de décodage spatio-temporel selon un mode de réalisation de l'invention, tel qu'illustré en Fig. 4. Le dispositif comprend une pluralité Q d'antennes de réception ou de photodétecteurs selon la nature des signaux émis. 17 Le signal reçu par l'antenne 410q, correspondant à la v-ième utilisation du canal, peut s'écrire sous la forme : p Nfù1 M Yq(t)=L hpq w(tûnTfû3(mûcp 1)e)+nq(t) (13) p=1 n=0 m=0 où O est le signe de convolution, cp1 la position PPM du symbole cp de la matrice C, telle que définie en (2) et (3), où hpg est la réponse impulsionnelle du canal entre l'antenne d'émission p et l'antenne de réception q, et où nq(t) est le bruit de réception au niveau de l'antenne 410q. Le signal reçu par chaque antenne 410q, q = 1,..,Q est filtré par une batterie de KP filtres adaptés 420q,1 à 420q,KP aux signaux respectifs : 1 N -1M 1 Sp 1(t) _EW(tùnTf -8(m-cp 1)E) N f n=0 m=0 pendant chacune des v utilisations du canal, où l'on rappelle que cpù1 est la position PPM du symbole en v- ième ligne et p-ième de la matrice C, telle que définie en (3), avec la contrainte (7), c'est-à- dire 0 On peut montrer que la valeur sommée, correspondant aux symboles effectivement émis s1,s2,..,sp est égale à : P Q 2 E(s1, s2,.., sp) =13E hpq p=l q=1 où hpq est le coefficient de transmission du canal entre l'antenne d'émission p et l'antenne de réception q. Le facteur P dans (16) est dû au fait que l'intégration est effectuée sur les P utilisations du canal. En revanche, pour la valeur sommée relative à une combinaison quelconque de symboles s1,s2,..,sp, on peut montrer que la valeur sommée a la forme générale : P z E(s1,s2,..,sp) _ EOGpE hpq ou OGp E {1,..,P} p=l q=1 l'égalité a1 =a2 =...=îp =P n'étant vérifiée que pour (s1,s2,..,sp)= (s1,s2,..,sp) . Par conséquent, E~s1,s2,..,sp) correspond bien au maximum de la valeur sommée (16). (15) (16)25 La Fig. 5 compare le taux d'erreur par symbole en fonction du rapport signal à bruit, pour un système mono-antenne (1x1) et pour des systèmes MIMO-UWB utilisant un codage spatio-temporel selon l'invention. Les configurations d'antennes utilisées dans le système MIMO sont 2x1, 3x1 et 4x1. On voit que pour de faibles rapports signal à bruit, le système mono-antenne est légèrement meilleur que les systèmes MIMO. Cela est dû au fait que les débits des codes spatio-temporels selon l'invention ont des débits plus faibles que pour un codage PPM simple dans un système mono-antenne. On rappelle que le débit d'un code spatio-temporel (3) est ( p log2 Mù1 de i par PCU alors que pour un codage PPM P simple, le débit est de log2(M) par PCU. On notera que la détérioration observée à faible rapport signal sur bruit est d'autant moins sensible que le degré de modulation M est élevé. En revanche, pour des valeurs plus importantes de rapport signal à bruit, le codage spatio-temporel selon l'invention est sensiblement meilleur que dans le cas mono-antenne classique, comme on peut le voir sur la Fig. 5.25 REVENDICATIONS 1. Procédé de codage spatio-temporel pour système de télécommunication UWB impulsionnel possédant une pluralité P d'éléments radiatifs, caractérisé en ce qu'il associe à toute combinaison s1,s2,...,s. de P symboles appartenant à un alphabet de modulation PPM à M positions de modulation avec M > P +1, le code spatio-temporel défini par la matrice: C= s1 s2 r Sp s1s p spù1 ils2 ilsp s1 ~ à une permutation près de ses lignes et/ou de ses colonnes, les symboles de chaque colonne de ladite matrice étant destinés à être émis par un élément radiatif donné et les symboles de chaque ligne de ladite matrice étant destinés à être émis pendant une utilisation de canal donnée, où il est une permutation des positions de modulation et les symboles s1,s2,...,s. obéissent à la contrainte : sit s. pour i, j =1,..,P avec i ≠j ils; ≠si pour i = 2,..,P et j =1,...,i -1 .25 2. Procédé de codage spatio-temporel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les positions de modulation respectives sl,s2,..., sp des symboles s1,s2,...,s, vérifient la contrainte 0 3. Procédé de codage spatio-temporel selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque élément de la matrice de code spatio-temporel module les positions respectives des impulsions d'un signal TH-UWB. 4. Terminal d'émission (300) possédant une pluralité P d'éléments radiatifs destinés à émettre des signaux UWB de type impulsionnel, caractérisé en ce qu' il comprend un transcodeur (310) pour coder une première pluralité f de symboles d'information al, a2,..., a~ en une seconde pluralité P de symboles s1,s2,...,s. appartenant à un alphabet de modulation PPM, un codeur spatio-temporel (320) générant à partir de ces derniers, le code spatio-temporel défini par la matrice : ( s1 S2 Sp S Sp S1 Sp-1 SZs2 ilsp s1 ~ C=à une permutation près de ses lignes et/ou de ses colonnes, les symboles de chaque colonne (p) de ladite matrice étant destinés à être émis par un élément radiatif donné (340p) et les symboles de chaque ligne de ladite matrice étant destinés à être émis pendant une utilisation de canal donnée, où il est une permutation des positions de modulation et les symboles s1,s2,...,s. obéissent à la contrainte : s1≠si pour i, j =1,..,P avec i ≠j ils; ≠si pour i = 2,..,P et j =1,...,i -1 . 5. Terminal d'émission selon la revendication 4, caractérisé en ce que les positions de modulation respectives sl,s2,...,sp des symboles s1,s2,...,s. fournis par le transcodeur vérifient la contrainte 0 6. Terminal d'émission selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en qu'il comprend une pluralité de modulateurs de signaux TH-UWB (3301 ,3302,",330p), chaque modulateur modulant un signal TH-UWB par les éléments successifs d'une colonne de ladite matrice. 7. Terminal d'émission selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit modulateur module en 30 position chaque impulsion du dit signal TH-UWB. 8. Terminal d'émission selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que lesdits éléments radiatifs sont des antennes UWB. 9. Terminal d'émission selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que lesdits éléments radiatifs sont des diodes électroluminescentes ou des diodes laser. 10 10. Terminal de réception comprenant une ou plusieurs (Q) antennes de réception caractérisé en ce que le signal reçu par chaque antenne (410q) est filtré par une batterie de filtres (420q,1r...420q,Kp) adaptés à 15 une pluralité KP de signaux TH-UWB définis à un coefficient multiplicatif près par : sp ~(t) = w(tûnTf -8(mûcp 1)E) Ni n=0 m=0 20 pour une pluralité P d'utilisations v=O,..,Pû1 du canal, où cp lE {0,..,Mû1} est définie comme la position de modulation du symbole PPM en v-ième ligne et p-ième de la matrice s1 S2 Sp S Sp S1 Sp-1 ils2 ilsp Si ~ 25 C=avec la contrainte 0