Brevet FR3048834A1 — publié le 20170915

Procédé et dispositif de transmission multi services avec modulation FC-OFDM et récepteur correspondant Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des transmissions mettant en oeuvre une modulation multi porteuses générant des symboles orthogonaux telle une modulation OFDM. L'invention trouve notamment des applications dans le domaine des communications sans fil ou filaires mettant en oeuvre une modulation multi porteuses, par exemple pour des communications cellulaires LTE / LTE-A, pour des communications sans fil WIFI, WiMAX, pour des communications filaires PLC, ADSL, pour de la diffusion DVB-T, DVB -T2, DVB -H, DVB-NGH. En particulier et sans être limitatif, l'invention trouve des applications dans les systèmes de futures générations (5G, etc.) pour lesquels il y aura une transmission simultanée sur voie montante de communications cellulaires de haut débit dites MBB (acronyme des termes anglosaxons « Mobile Broadband Communications ») et des communications sporadiques à bas débit associées à des capteurs dites IoT (acronyme des termes anglosaxons « Internet of Things ») ou dites MTC (acronyme des termes anglosaxons « Machine Type Communications ») et/ou des communications V2X (Vehicular to Vehicular/Infrastructure communications) et/ou encore des communications MCC (acronyme des termes anglosaxons « Mission Critical Communications ») en référence à la terminologie utilisée dans les groupes de travail associés au 3GPP et visant à définir des versions au- delà de la version 13 du LTE. Art antérieur Dans les années à venir, il est prévu une densification des réseaux de capteurs qui ont pour rôle de remonter des données vers une entité d'exploitation de ces données. On peut déjà citer les réseaux existants de caméras de vidéo-surveillance qui remontent des données vidéo. Il y a d'autres réseaux en cours de déploiement dans des domaines très variés tels que l'énergie avec la remontée de données de consommation de gaz ou d'électricité et tels que la santé avec la remontée de données physiologiques de patients. Il y a donc une augmentation prévisible de transmissions d'informations qui transiteront par un même lien physique qui sera souvent un lien radio. Les capteurs sont habituellement considérés comme statiques contrairement aux terminaux des communications cellulaires. Il est aussi prévu la commercialisation de véhicules connectés permettant l'offre d'applications Internet regroupées sous la terminologie service V2X. Selon certains scénarios envisagés, les communications interviennent entre deux véhicules qui se déplacent en sens inverse et à grande vitesse, ou qui interviennent entre un véhicule et une station de base ou entre un véhicule et un relais pour lesquels la vitesse relative est importante. En tout état de cause, la qualité de service doit être 3048834 2 garantie, la transmission doit être fiable même lorsque la vitesse relative est importante (jusqu'à 500km/h) et l'effet Doppler conséquent. Un service IoT c'est-à-dire associé aux communications sporadiques impose que le dispositif IoT ait une très faible consommation de puissance pour assurer une durée de vie de la batterie pouvant 5 aller jusqu'à une dizaine d'années. En outre le coût de revient du dispositif IoT doit être très faible ce qui implique que sa complexité matérielle doit être très réduite. Une autre contrainte importante du service IoT est un coût de signalisation qui doit être particulièrement faible étant donné que plus de 100 000 dispositifs peuvent être connectés à l'intérieur d'une seule cellule. Pour le service MBB c'est-à-dire associé aux communications cellulaires de haut débit 10 l'efficacité spectrale est très importante. Les communications cellulaires sont sous-entendues mises en oeuvre avec des systèmes de transmission mobile large bande. La qualité de service est un autre facteur également très important vis-à-vis de l'utilisateur. Par contre, la consommation de puissance est un critère moins critique que pour le service IoT. Un service MCC est dédié à des utilisations dans un contexte d'urgence où la fiabilité des 15 informations reçues est vitale. Ceci concerne par exemple les situations de cataclysme avec la recherche de personnes ensevelies ou les téléopérations médicales. Chaque terminal peut transmettre indépendamment d'un autre terminal des données associées à un service qui peut tout aussi bien être une communication cellulaire dit service MBB, une communication entre objets communicants dit service IoT, une communication entre un émetteur et un 20 récepteur se déplaçant avec une vitesse relative élevée conduisant à un fort effet Doppler dit service V2X, une communication dédiée à des utilisations nécessitant une très forte fiabilité dit service MCC. Le 3GPP définit ainsi des règles [3GPP] pour qu'une station de base soit en mesure de recevoir simultanément des communications provenant de terminaux mobiles qui exigent une connectivité presque permanente avec un haut voire très haut débit (plusieurs Mega bits/s) et des 25 communications sporadiques provenant de capteurs. Les transmissions issues des capteurs ont en outre la particularité d'être bas débit (quelques bits/s, environ 20 octets par jour), de caractère aléatoire et ponctuel. Les communications MTC sont basées sur une chaîne d'émission similaire à celle spécifiée pour les communications MBB. Ainsi, le standard LTE du 3GPP spécifie depuis la version 8 (release 8) une forme d'onde 30 unique dite DFT-s-OFDM pour les communications en voie montante UL (acronyme des termes anglosaxons « uplink »). La modulation est une modulation multi porteuses de type OFDM et chaque entité émet pendant un certain nombre d'intervalles de temps (« time slot » selon la terminologie anglos axone). 3048834 3 La chaîne d'émission de la forme d'onde DFT-s-OFDM est illustrée par la figure 1. La chaîne comprend un précodeur mettant en oeuvre une transformée de Fourier discrète DFT (acronyme des termes anglosaxons « Discrete Fourier Transform »), un mappeur MAP, une transformation fréquence temps réalisée au moyen d'une IFFT (acronyme des termes anglosaxons « Inverse fast Fourier 5 Transform ») sur M points et une mise en forme avec l'ajout dans le domaine temporel d'un préfix cyclique CP. Les symboles complexes cni,' issus d'une modulation binaire à symboles (constellation QAM) sont précodés par le précodeur. Le précodeur est utilisé pour obtenir un signal dont les caractéristiques dans le domaine temporel sont similaires à celles obtenues avec une modulation avec une simple 10 porteuse, c'est-à-dire avec un faible PAPR (acronyme des termes anglosaxons « Peak to Average Power Ratio »). Les symboles précodés sont mappés en entrée de l'IFFT sur les différentes sous porteuses. La taille M de la IFFT détermine le nombre de sous porteuses et la bande du signal de sortie. L'ajout d'un préfix cyclique CP intervient dans le domaine temporel, soit après une mise en 15 série des échantillons d'un symbole DFT-s-OFDM en sortie de la IFFT. Cet ajout revient à insérer en début du symbole DFT-s-OFDM une copie des derniers échantillons de ce symbole. Ce préfix cyclique a pour fonction d'absorber le délai maximum associé aux trajets multiples ou délai d'étalement du canal (« delay spread » selon la terminologie anglosaxone) et de lutter contre des interférences inter symboles liées à des recouvrements temporels dus à cet étalement. 20 Selon le mécanisme standardisé pour le LTE pour les transmissions en voie montante, la station de base envoie des signaux de synchronisation aux terminaux de manière à ce que les trames qu'ils émettent arrivent de manière synchronisée avec une référence temporelle de la station de base. Ce mécanisme est dit à boucle fermée (« close loop » selon la terminologie anglosaxone). La station envoie une valeur temporelle spécifique (« timing advance » selon la terminologie anglosaxone) à 25 chaque terminal pour aligner temporellement les signaux des terminaux à la réception par la station de base. Cette valeur est déterminée de façon à ce que le décalage temporel résiduel (« time offset » selon la terminologie anglosaxone) à l'arrivée d'un signal reçu n'excède pas la fenêtre d'extraction du préfix cyclique diminuée du délai d'étalement (delay spread) du canal. Ce mécanisme dit de « timing advance » selon la terminologie du standard LTE a pour 30 fonction de préserver l'orthogonalité entre les transmissions des différents terminaux et de chaque transmission à la réception par la station de base. La figure 2 représente la structure d'une trame générée par la station de base qui a une durée de lOms et est composée de sous-trames de durée lms. Les trames émises par les terminaux ont la même structure. Dans chaque sous-trame, il y a 14 symboles DFT-s-OFDM. Chaque symbole DFT-s-OFDM est précédé d'un préfix cyclique CP comme 3048834 4 illustré par la figure 3. Quand un utilisateur/terminal est autorisé à transmettre des données, il lui est alloué un certain nombre de sous-trames. Par exemple, la gère sous-trame. Le mécanisme de « timing advance » consiste à synchroniser les trames reçues provenant des terminaux sur une référence temporelle de la station de base. Pour la clarté de l'exposé, l'illustration 5 considère qu'il consiste à aligner les trames reçues avec une trame de la station de base. Ainsi, si un utilisateur transmet dans la gère sous-trame alors la station de base détermine une valeur de temps tenant compte du temps aller-retour A&R entre la station de base SB et le terminal UE comme illustré par la figure 4. En effet, il y a le temps de transmission du signal de contrôle contenant la valeur de temps et le temps de transmission des données depuis le terminal. 10 Malgré que le terminal prenne en compte cette valeur de temps pour synchroniser son émission, la sous-trame dans laquelle sont ses données peut néanmoins arriver à la station de base avec un décalage temporel to (time offset) comme illustré par la figure 5. Ce décalage se retrouve au niveau du symbole DFT-s-OFDM comme illustré par la figure 6 qui représente un nième symbole DFT-sOFDM noté DFT-s-OFDM #n. Cette figure illustre le positionnement à la réception de la fenêtre pour 15 extraire le CP et de la fenêtre pour extraire les échantillons sur lesquels est effectuée la FFT. Ainsi, si le décalage to est plus petit que la durée du CP, comme illustré par la figure 6, l'orthogonalité peut être maintenue. En effet, même si la fenêtre pour la FFT couvre des échantillons inclus dans le CP, ceux-ci étant une recopie d'échantillons du symbole DFT-s-OFDM, alors la FFT porte uniquement sur des échantillons appartenant à un seul symbole DFT-s-OFDM. Il n'y a pas de 20 perte d'information. Si le décalage to est plus grand que la durée du CP, comme illustré par la figure 7 qui représente un nième symbole DFT-s-OFDM noté DFT-s-OFDM #n, l'orthogonalité est perdue. En effet, la fenêtre d'extraction des échantillons pour la FFT couvre des échantillons qui ne sont ni dans le CP, ni dans le symbole DFT-s-OFDM lui-même. Ces échantillons appartiennent généralement à un 25 précédent symbole DFT-s-OFDM. Il y a une perte d'information due à la perte d'orthogonalité. La valeur de temps transmise par la station de base peut s'avérer trop petite et le décalage être négatif conduisant à une situation anti-causal comme illustré par la figure 8. Dans cette situation, le symbole DFT-s-OFDM arrive en avance comme illustré par la figure 9 qui représente un nième symbole DFT-s-OFDM noté DFT-s-OFDM #n. Dans cette situation, quelle que soit la longueur du 30 CP, l'orthogonalité ne peut jamais être maintenue puisqu'il manque toujours des échantillons utiles dans la fenêtre de la FFT et en outre celle-ci couvre toujours des échantillons qui n'appartiennent pas au symbole DFT-s-OFDM. 3048834 5 Comme illustré par la figure 10, la station de base BS doit signaler à chaque terminal UE1, UE2, UE3 une valeur de temps tal, ta2, ta3. Ce mécanisme de synchronisation est bien adapté au service MBB. Il n'est toutefois pas du tout adapté pour certains services comme un service IoT. En effet, si 5 un tel mécanisme de synchronisation est mis en oeuvre avec un service IoT, il y a une perte de bande passante (« overhead » selon la terminologie anglosaxone) qui est d'autant plus importante et inacceptable qu'il y a d'objets communicants servis par la station. Un mécanisme envisagé consiste à utiliser une synchronisation grossière (« coarse synchronisation » selon la terminologie anglosaxone) comme illustré par la figure 11. Le mécanisme de synchronisation du LTE, 1-by-1 TA, conduit à une 10 surcharge de signalisation comme illustré sur la partie gauche de la figure 11. Le mécanisme de synchronisation grossier, 1-to-(TA1,...,TAi...) consiste à déterminer une valeur temporelle pour un groupe d'objets. Mais ce mécanisme grossier n'est pas compatible du standard LTE puisqu'il conduit à des décalages temporels to négatifs anti causal pour certains objets d'un groupe et des décalages to positifs causal pour d'autres objets du même groupe ce qui entraînera des pertes de synchronisation et 15 par suite un impact négatif sur les performances. Il existe donc un besoin pour une technique de transmission multi services basée sur une modulation multi porteuses orthogonale, les services étant rendus par des communications synchrones ou des communications avec une synchronisation grossière voire sans synchronisation qui sont reçues simultanément par une station de base. 20 Exposé de l'invention L'invention propose un procédé de transmission de données correspondant à un service parmi plusieurs services de communication mettant en oeuvre une même transformée fréquence temps de taille M quel que soit le service pour générer des symboles multi porteuses orthogonaux de M échantillons à partir de symboles de données mappés en entrée de la transformée. Lors d'une mise en 25 trame, le procédé ajoute un préfix cyclique de 2L échantillons au début d'un symbole multi porteuses ou un postfix cycliques de 2L échantillons à la fin d'un symbole multi porteuses ou il ajoute un préfix cyclique et un postfix cyclique de L échantillons respectivement au début et à la fin d'un symbole multi porteuses pour obtenir une séquence de M + 2L échantillons. Le procédé est tel que : il effectue un filtrage temporel selon une fonction f (n) des échantillons n de la séquence, a (n) n E [0,2L - 1] 30 L et M étant des naturels non nuls : f (n) = 1 n E [2L, M - 1] b (n) n E [M, M + 2L - 1] 3048834 6 avec a(n) = g (q (n)) et b(n) = \ 11 - f (n - M)2 ou b(n) = g (q (n)) et a(n) = \ I 1 - f (n + M)2 et avec 0 q (n) 7c/2, q (n) une fonction monotone et g ( ) une fonction monotone et croissante. L'invention a en outre pour objet un dispositif de transmission de données correspondant à un 5 service parmi plusieurs services de communication mettant en oeuvre une modulation multi porteuse à M sous porteuses, tel qu'il comprend : un transformateur fréquence temps de taille M commun quel que soit le service générant des symboles multi porteuses orthogonaux de M échantillons à partir de symboles de données mappés en entrée du transformateur, 10 un démultiplexeur pour mettre en série les échantillons d'un symbole multi porteuses et effectuer une mise en trame en ajoutant un préfix cyclique de 2L échantillons au début d'un symbole multi porteuses ou un postfix cycliques de 2L échantillons à la fin d'un symbole multi porteuses ou il ajoute un préfix cyclique et un postfix cyclique de L échantillons respectivement au début et à la fin d'un symbole multi porteuses pour 15 obtenir une séquence de M + 2L échantillons, un filtre selon une fonction f (n) des échantillons n de la séquence, L et M étant des a(n) n E [0,2L - 1] naturels non nuls : f (n) = {1 n E [2L, M - 1] b(n) n E [M, M + 2L - 1] avec L REVENDICATIONS1. Procédé (1) de transmission de données correspondant à un service parmi plusieurs services de communication mettant en oeuvre une même transformée (IFFT) fréquence temps de taille M quel que soit le service pour générer des symboles multi porteuses orthogonaux de M échantillons à partir de symboles de données mappés en entrée de la transformée, tel que, lors d'une mise en trame, il ajoute un préfix cyclique de 2L échantillons au début d'un symbole multi porteuses ou un postfix cycliques de 2L échantillons à la fin d'un symbole multi porteuses ou il ajoute un préfix cyclique et un postfix cyclique de L échantillons respectivement au début et à la fin d'un symbole multi porteuses pour obtenir une séquence de M + 2L échantillons, caractérisé en que : il effectue un filtrage (WDG) temporel selon une fonction f (n) des échantillons n de la séquence, L et M étant des naturels non nuls : a(n) n E [0,2L - 1] f (n) = {1 n E [2 L , M - 1] b(n) n E [M , M + 2L - 1] avec a(n) = g (q (n)) et b(n) = I1 - f (n - M)2 ou b(n) = g (q (n)) et a(n) = I1 - f (n + M)2 et avec 0 q(n) 7/2, q(n) une fonction monotone et g( ) une fonction monotone et croissante. 2. Procédé (1) selon la revendication 1, dans lequel la transmission respecte une trame temps fréquence avec des préambules multiplexés dans la trame selon une configuration dépendant du service sous contrainte d'un nombre maximum de préambules, la configuration dépendant du service pouvant permettre de sélectionner un multiplexage en temps des préambules ou un multiplexage en temps et en fréquence des préambules. 3. Procédé (1) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel : il adapte les données selon une configuration dépendant du service pour générer des symboles de données, la configuration dépendant du service pouvant permettre de sélectionner un ou plusieurs traitements parmi un bourrage (0 PAD), une transformée de Fourier discrète (DFT) de taille N, un étalement (SPG). 4. Procédé (1) selon l'une des revendications 3 dans lequel l'étalement (SPG) a un facteur d'étalement P et chaque donnée étalée est multipliée par un poids wp, p = 1, . . . , P. 3048834 16 n 5. Procédé (1) selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la fonction q(n) = -2 Ln et g( ) est une fonction de type sinusoïdale. 6. Procédé (1) selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la fonction q(n) = -Te n2 et 8L2 g ( ) est une fonction de type sinusoïdale. 5 7. Procédé (1) selon l'une des revendications précédentes comprenant l'émission d'un message de signalisation codant la configuration. 8. Dispositif (UE) de transmission de données correspondant à un service parmi plusieurs services de communication mettant en oeuvre une modulation multi porteuse à M sous porteuses, caractérisé en ce qu'il comprend : 10 un transformateur (IFFT) fréquence temps de taille M commun quel que soit le service générant des symboles multi porteuses orthogonaux de M échantillons à partir de symboles de données mappés en entrée du transformateur, un démultiplexeur pour mettre en série les échantillons d'un symbole multi porteuses et effectuer une mise en trame en ajoutant un préfix cyclique de 2L échantillons au début 15 d'un symbole multi porteuses ou un postfix cycliques de 2L échantillons à la fin d'un symbole multi porteuses ou il ajoute un préfix cyclique et un postfix cyclique de L échantillons respectivement au début et à la fin d'un symbole multi porteuses pour obtenir une séquence de M + 2L échantillons, un filtre (WDG) selon une fonction f (n) des échantillons n de la séquence, L et M étant a (n) n E [0,2L - 1] 20 des naturels non nuls : f (n) = 1 n E [2L, M - 1] b (n) n E [M , M + 2L - 1] avec L 9. Procédé (2) de réception de données correspondant à un service parmi plusieurs services de 25 communication mettant en oeuvre une même transformée (FFT) temps fréquence quel que soit le service, caractérisé en ce que : il effectue un filtrage (WDG) temporel identique au filtrage f (n) utilisé en émission sur une séquence de longueur M + 2L échantillons, il replie (FOLD+) en les ajoutant 2L échantillons d'extrémité de la séquence sur 2L parmi M 30 échantillons de la séquence, 3048834 17 il transforme les M échantillons de la séquence mappés en entrée de la transformée (FFT) temps fréquence de taille M pour générer des symboles de données et, il dé-mappe (MAP-1) les symboles de données. 10. Procédé (2) de réception de données correspondant à un service parmi plusieurs services de 5 communication mettant en oeuvre une même transformée (FFT) temps fréquence quel que soit le service, caractérisé en ce que : il transforme une séquence de M + 2L échantillons reçus complétée avec des zéro mappée en entrée de la transformée (FFT) temps fréquence de taille 2M pour générer 2M échantillons fréquentiels, 10 il effectue un filtrage (FLG) fréquentiel inverse d'un filtrage temporel f (n) utilisé en émission sur une séquence de longueur 2M échantillons fréquentiels, il extraie (EEI) de la séquence fréquentielle filtrée les échantillons d'indice paire pour obtenir une séquence fréquentielle de longueur M de symboles de données, il dé-mappe (MAP-1) les symboles de données. 15 11. Récepteur (REC) de télécommunication multi services mettant en oeuvre une modulation multi porteuse caractérisé en ce qu'il comprend : un filtre (WDG) temporel identique à un filtre f(n) utilisé en émission pour filtrer une séquence de longueur M+2L échantillons, un calculateur (FOLD+) pour replier en les ajoutant 2L échantillons d'extrémité de la 20 séquence sur 2L parmi M échantillons de la séquence, une même transformée (FFT) temps fréquence de taille M quel que soit le service pour générer des symboles de données à partir des M échantillons mappés en entrée, un démappeur (MAP-1) pour dé-mapper les symboles de données. 12. Récepteur (REC) de télécommunication multi services mettant en oeuvre une modulation multi 25 porteuse caractérisé en ce qu'il comprend : une même transformée (FFT) temps fréquence de taille 2M quel que soit le service pour générer 2M échantillons fréquentiels à partir d'une séquence de M + 2L échantillons reçus complétée avec des zéro en entrée, un filtre (FLG) fréquentiel inverse d'un filtre temporel f (n) utilisé en émission pour filtrer 30 une séquence de longueur 2M échantillons fréquentiels, un sélectionneur (EEI) pour extraire de la séquence fréquentielle filtrée les échantillons d'indice paire et pour obtenir une séquence fréquentielle de longueur M de symboles de données, un démappeur (MAP-1) pour dé-mapper les symboles de données.