Brevet FR2910752A1 — publié le 20080627

PROCÉDÉ DE CODAGE SPATIO-TEMPOREL POUR SYSTÈME DE COMMUNICATION MULTI-ANTENNE DE TYPE UWB IMPULSIONNEL DESCRIPTION 5 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 multiantenne à codage spatio-temporel ou STC (Space Time 10 Coding). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les systèmes de télécommunication sans fil de type multi-antenne sont bien connus de l'état de la technique. Ces systèmes utilisent une pluralité 15 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 20 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 classique (ou SISO pour Single 25 Input Single Output). Cette diversité spatiale est généralement complétée par une diversité temporelle au moyen d'un codage spatio-temporel. Dans un tel codage, un symbole d'information à transmettre se trouve codé sur plusieurs antennes et plusieurs instants de 30 transmission. On connaît deux grandes catégories de 2910752 2 systèmes MIMO à codage spatio-temporel : les systèmes à codage en treillis ou STTC (Space Time Trellis Coding) et les systèmes à codage par blocs ou STBC (Space Time Block Coding). Dans un système à codage en treillis, le codeur spatio-temporel peut être vu comme une machine à états finis fournissant P symboles de transmission aux P antennes en fonction de l'état courant et du symbole d'information à coder. Le décodage à la réception est réalisé par un algorithme de Viterbi multidimensionnel dont la complexité augmente de manière exponentielle en fonction du nombre d'états. Dans un système à codage par blocs, un bloc de symboles d'information à transmettre est codé en une matrice de symboles de transmission, une dimension de la matrice correspondant au nombre d'antennes et l'autre correspondant aux instants consécutifs de transmission. La Fig. 1 représente schématiquement un système de transmission MIMO 100 avec codage STBC. Un bloc de symboles d'information S = (61,...,6b) , par exemple un mot binaire de b bits ou plus généralement de b symboles M-aires, est codé en une matrice spatio-temporelle : C11 C12 C21 C22 C= CT,1 CT 2 CT,P où les coefficients etp, t=1,..,T;p=1,..,P du code sont en règle générale des coefficients complexes dépendant des symboles d'information, P est le nombre d'antennes utilisées à l'émission, T est un entier indiquant Cl P C2 P (1) 2910752 3 l'extension temporelle du code, c'est-à-dire le nombre d'utilisations du canal ou PCUs (Per Channel Use). La fonction f qui, à tout vecteur S de symboles d'information, fait correspondre le mot de code spatio- 5 temporel C, est appelée fonction de codage. Si la fonction f est linéaire on dit que le code spatio- temporel est linéaire. Si les coefficients ctp sont réels, le code spatio-temporel est dit réel. Sur la Fig. 1, on a désigné par 110 un codeur 10 spatio-temporel. A chaque instant d'utilisation de canal t, le codeur fournit au multiplexeur 120 le t-ème vecteur-ligne de la matrice C. Le multiplexeur transmet aux modulateurs 1301,430p les coefficients du vecteur ligne et les signaux modulés sont transmis par 15 les antennes 1401,...,140p . Le code spatio-temporel est caractérisé par son débit, c'est-à-dire par le nombre de symboles d'information qu'il transmet par instant d'utilisation de canal (PCU). Le code est dit à plein débit s'il est 20 P fois plus élevé que le débit relatif à une utilisation mono-antenne (SISO). Le code spatio-temporel est caractérisé en outre par sa diversité qui peut être définie comme le rang de la matrice C. On aura une diversité maximale si pour 25 deux mots de code C1 et C2 quelconques correspondant à deux vecteurs S1 et S2, la matrice C1-C2 est de rang plein. Le code spatio-temporel est enfin caractérisé par son gain de codage qui traduit la distance minimale 2910752 4 entre différents mots du code. On peut le définir comme : min det((C1ù C2 )H (C1ûC2 (2) c1≠c2 ou, de manière équivalente, pour un code linéaire : min det(CHC) c≠o 10 où det(C) signifie le déterminant de C et CH est la matrice conjuguée transposée de C. Pour une énergie de transmission par symbole d'information, le gain de codage est borné. 15 Un code spatio-temporel sera d'autant plus résistant à l'évanouissement que son gain de codage sera élevé. Un exemple de codage spatio-temporel pour un 20 système MIMO à deux antennes de transmission a été proposé dans l'article de S.M. Alamouti intitulé A transmit diversity technique for wireless communications , publié dans IEEE Journal on selected areas in communications, vol. 16, pp. 1451-1458, Oct. 25 1998. Le code d'Alamouti est défini par la matrice spatiotemporelle 2x2: C= 61 62 (4) -62 61 5 (3) 2910752 5 où 61 et 6 2 sont deux symboles d'information à transmettre et 61 et 62 leurs conjugués respectifs. Comme on peut le voir dans l'expression (4), ce code transmet deux symboles d'information pour deux 5 utilisations de canal et son débit est donc d'un symbole/PCU. Bien qu'initialement présenté dans l'article précité pour des symboles appartenant à une modulation QAM, le code d'Alamouti s'applique également à des 10 symboles d'information appartenant à une modulation PAM ou PSK. En revanche il ne peut aisément s'étendre à une modulation de position, dite aussi PPM (Pulse Position Modulation). Le symbole d'un alphabet de modulation PPM à M positions peut être représenté par un vecteur de 15 M composantes toutes nulles sauf une égale à 1, correspondant à la position de modulation à laquelle une impulsion est émise. L'utilisation de symboles PPM dans l'expression (4) conduit alors à une matrice spatiotemporelle de taille 2M x2. Le terme -62 20 figurant dans la matrice n'est pas un symbole PPM et nécessite la transmission d'une impulsion affectée d'un changement de signe. Autrement dit, cela revient à utiliser des symboles PPM signés, appartenant à une extension de l'alphabet de modulation PPM. 25 De manière plus générale, l'utilisation de symboles PPM dans les codes spatio-temporels, notamment ceux définis par V. Tarokh et al. dans l'article intitulé Space-time block codes from orthogonal designs paru dans IEEE Trans. on Information Theory, Vol. 45, No. 5, July 1999, pp. 1456-1567, conduisent à une extension de l'alphabet de modulation PPM. 2910752 6 Un autre domaine des télécommunications fait actuellement l'objet de recherches considérables. Il s'agit des systèmes de télécommunication UWB, pressentis notamment pour le développement des futurs 5 réseaux personnels sans fil (WPAN). Ces systèmes ont pour spécificité de travailler directement en bande de base avec des signaux très large bande. On entend généralement par signal UWB un signal conforme au masque spectral stipulé dans la réglementation du FCC 10 du 14 Février 2002 et révisé en Mars 2005, c'est-à-dire pour l'essentiel un signal dans la bande spectrale 3.1 à 10.6 GHz et présentant une largeur de bande d'au moins 500 MHz à -10dB. En pratique, on connaît deux types de signaux UWB, les signaux multi-bande OFDM (MB- 15 OFDM) et les signaux UWB de type impulsionnel. Nous nous intéresserons par la suite uniquement à ces derniers. Un signal UWB impulsionnel est constitué d'impulsions très courtes, typiquement de l'ordre de 20 quelques centaines de picosecondes, réparties au sein d'une trame. Afin de réduire l'interférence multi-accès (MAI pour Multiple Access Interference), un code de sauts temporels (TH pour Time Hopping) distinct est affecté à chaque utilisateur. Le signal issu ou à 25 destination d'un utilisateur k peut alors s'écrire sous la forme: NS -1 Sk (t) _ L W(t ù nTS ù Ck (n)Tc) (5) n=0 2910752 7 où w est la forme de l'impulsion élémentaire, T est une durée bribe (ou chip), T est la durée d'un intervalle élémentaire avec NS= NjT où NN est le nombre de chips dans un intervalle, la trame totale 5 étant de durée Tf =NSTS où NS est le nombre d'intervalles dans la trame. La durée de l'impulsion élémentaire est choisie inférieure à la durée chip, soit Tw 1 sont des symboles d'une constellation PPM de cardinal M > l . Alternativement, les symboles d'information peuvent provenir d'une autre constellation M -aire à condition de subir préalablement un transcodage (mapping) dans 10 ladite constellation PPM. Les symboles d'information peuvent être issus d'une ou d'une pluralité d'opérations bien connues de l'homme du métier telles que codage source, codage canal de type convolutionnel, par bloc ou bien encore turbocodage série ou parallèle, 15 entrelacement, etc. Le bloc de symboles d'information S = (al,a2,...,ap) subit une opération de codage dans le codeur spatio-temporel 310. Plus précisément, le module 310 calcule les coefficients de la matrice C obéissant à 20 l'expression (11) ou à une variante obtenue par permutation de ses lignes et/ou ses colonnes comme indiqué précédemment. Les P vecteurs colonnes (vecteurs à M composantes) de la première ligne de C, représentant P symboles PPM sont transmis 25 respectivement aux modulateurs UWB 3201r...,320p pour générer la première trame, puis les P vecteurs colonnes de la seconde ligne de C, pour générer la seconde trame etc. jusqu'à la dernière ligne de vecteurs colonnes pour générer la dernière trame. Sur 30 la Fig. 4, l'indice supérieur indique la trame et l'indice inférieur l'élément radiatif 3301r..., 330p. Le 2910752 20 modulateur UWB 3201 génère à partir des vecteurs colonnes et / far far ~...~ a2 les signaux UWB impulsionnels modulés correspondants. De même, le modulateur UWB 3202 génère à partir des vecteurs 5 a2,a1,SZaP,...,SZa3 les signaux UWB impulsionnels modulés correspondants, ainsi de suite jusqu'au modulateur UWB 320p à partir des vecteurs aP,aP_1,...,al. Par exemple, si l'on utilise, pour un système bi-antenne (P=2), la matrice de codage spatio-temporel (18) et un signal 10 support de modulation de type TH-UWB, le modulateur UWB 3201 fournira successivement les signaux (14) et (16) alors que le modulateur UWB 3202 fournira successivement les signaux (15) et (17). Bien que moins avantageux dans le cadre de la présente invention, les 15 signaux UWB impulsionnels servant de support à la modulation peuvent être alternativement du type DS-UWB ou TH-DS-UWB. Dans tous les cas, les signaux UWB impulsionnels ainsi modulés sont transmis ensuite aux éléments radiatifs 3301 à 330p. Ces éléments radiatifs 20 peuvent être des antennes UWB ou bien des diodes laser ou des DELs, fonctionnant par exemple dans le domaine infrarouge, associées à des modulateurs électrooptiques. Le système de transmission proposé peut alors être utilisé dans le domaine des télécommunications 25 optiques sans fil. Les signaux UWB transmis par le système illustré en Fig. 3 peuvent être traités par un récepteur multiantenne de manière classique. Le récepteur pourra par exemple comprendre un étage de corrélation de type Rake 30 suivi d'un étage de décision, utilisant par exemple un décodeur par sphère connu de l'homme du métier. 2910752 21 La Fig. 4 représente les courbes de taux d'erreur binaire en fonction du rapport signal à bruit par bit en réception. Les courbes sont données pour différentes configurations de systèmes, à une ou deux antennes en 5 transmission et une antenne en réception, et pour différents ordres de modulation PPM : 2,4 et 8 positions. Le traitement en réception est basé sur une technique de décodage par sphère adaptée aux 10 modulations PPM, telle que décrite dans l'article de C. Abou-Rjeily et al. intitulé MIMO UWB communication systems using modified Hermite pulses publié dans Proc. on 17th IEEE Annual International Indoor and Radio Communication, Sept. 2006. Il convient de noter que, 15 pour P=2 antennes de transmission, le codage spatio-temporel selon l'invention et le code d'Alamouti présentent les mêmes performances. Toutefois, comme on l'a dit, le codage selon l'invention ne nécessite pas une extension de la constellation PPM. REVENDICATIONS 1. Procédé de codage spatio-temporel pour système de transmission UWB comprenant une pluralité d'éléments radiatifs, ledit procédé codant un bloc de symboles d'information S = (a1,a2,...,aP) appartenant à un alphabet de modulation PPM, en une séquence de vecteurs, les composantes d'un vecteur étant destinées à moduler en position un signal UWB impulsionnel pour un élément radiatif dudit système et une utilisation de canal de transmission donnés, chaque composante correspondant à une position de modulation PPM, caractérisé en ce que lesdits vecteurs sont obtenus à partir des éléments de la matrice : et 62 aP c= ~6P 61 62 \~a2 ~6P 61 i une ligne de la matrice correspondant à une utilisation du canal de transmission et une colonne de la matrice correspondant à un élément radiatif, la matrice C étant définie à une permutation près de ses lignes et/ou ses colonnes et il étant une permutation des positions de modulation PPM. 2. Procédé de codage spatio-temporel selon la revendication 1, caractérisé en ce que il est une permutation circulaire desdites positions de modulation. 2910752 23 3. Procédé de codage spatio-temporel selon la revendication 2, caractérisé en ce que il est un décalage circulaire desdites positions de modulation. 5 4. Procédé de transmission selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments radiatifs sont des antennes UWB. 5. Procédé de transmission selon l'une des 10 revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments radiatifs sont des diodes laser ou des diodes électroluminescentes. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, 15 caractérisé en ce que ledit signal impulsionnel est un signal TH-UWB. 7. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit signal impulsionnel est un 20 signal DS-UWB. 8. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit signal impulsionnel est un signal TH-DS-UWB. 25 9. Système de transmission UWB comprenant une pluralité d'éléments radiatifs, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de codage (310) pour coder un bloc de symboles d'information S = (al,a2,...,ap) appartenant à un alphabet de modulation PPM, en une séquence de 2910752 24 vecteurs, chaque vecteur étant associé à une utilisation du canal de transmission et un élément radiatif donnés, chaque composante d'un vecteur correspondant à une position de modulation PPM, lesdits 5 vecteurs étant obtenus à partir des éléments de la matrice / et a2 ap S p a1 a2 ~SLa2 ilap al 10 une ligne de la matrice correspondant à une utilisation de canal de transmission et une colonne de la matrice correspondant à un élément radiatif, la matrice C étant définie à une permutation près de ses lignes et/ou ses colonnes et il étant une permutation des 15 positions de modulation PPM ; - une pluralité de modulateurs (3201r 3202, .. , 320P) pour moduler en position un signal UWB impulsionnel, chaque modulateur étant associé à un élément radiatif et modulant en position ledit signal, 20 pendant une utilisation du canal de transmission, à l'aide des composantes du vecteur associé au dit élément radiatif et à ladite utilisation du canal ; - chaque élément radiatif étant adapté à émettre le signal ainsi modulé par ledit modulateur 25 associé. C=