FR 3074382 A1 20190531 FR 1701265 A 20171130 PROCEDE ET SYSTEME DE MULTIPLEXAGE SPATIAL DE LIAISONS DANS UN RESEAU DE COMMUNICATION L'invention concerne un procédé et un système de multiplexage spatial de liaisons dans un réseau de communication utilisant une structure de type à entrées multiples et sorties multiples ou MIMO distribué avec un traitement anti-interférences à l'émission et à la réception. La présente invention permet la cohabitation simultanée et sur la même bande de fréquence de plusieurs liaisons MIMO transmettant chacune un seul train binaire d'information, c'est-à-dire sans multiplexage spatial de plusieurs trains binaires indépendants. Dans le but de minimiser le nombre d'antennes en émission et en réception, cette cohabitation requiert des traitements de lutte antiinterférences, aussi bien à l'émission qu'à la réception au niveau de chaque utilisateur. Ces traitements utilisent la connaissance ou l'estimation a priori des matrices de canal de chaque liaison. Pour une liaison donnée, le traitement en émission correspond à un précodage spatial des informations à transmettre, alors que le traitement en réception met en oeuvre un postcodage de l'information transmise. La stratégie qui minimise le nombre d'antennes global du réseau consiste à précoder les liaisons afin qu'au niveau de chaque récepteur, les interférences provenant des différents émetteurs soient alignées dans un même sous-espace. On parle alors de techniques d'alignement d'interférences (AI). Les techniques d'alignement d'interférences se sont développées à partir de la fin des années 2000 avec les travaux de Jafar, en particulier dans les publications suivantes : S.A. Jafar, S. Shamai, "Degrees of freedom region of the MIMO X channel", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 54, N°1, pp. 151-170, 2008, 2 V.R. Cadambe, S. A. Jafar, " Interference alignment and degrees of freedom of the K-User interference channel", IEEE Transactions on Information Theory, Vol 54, N°8, pp. 3425-3441, 2008, V.R. Cadambe, S. A. Jafar, "Interference Alignment and the Degrees of 5 Freedom of Wireless X Networks," IEEE Trans. Inf. Theory, Vol. 55, no. 9, Sep. 2009. Depuis ces travaux pionniers, la technique de l'alignement d'interférences a suscité un intérêt croissant dans la communauté scientifique et de nombreuses publications scientifiques sont parues sur le 10 sujet. Ces publications peuvent être structurées en deux grandes familles. La première famille concerne le calcul de bornes sur le nombre de degrés de liberté spatiaux disponibles pour de tels systèmes en fonction du nombre d'antennes en émission et en réception, comme il est décrit, par 15 exemple, dans les publications précitées. La seconde famille concerne le calcul des précodeurs-postcodeurs permettant d'optimiser un critère particulier tel que la somme des débits transmis au niveau des différentes liaisons ou encore le débit minimal d'une liaison ou le rapport signal+interférences à bruit ou SINR (abréviation anglo- 20 saxonne de signal-to-interference-plus-noise ratio) au niveau de chaque récepteur. Un état de l'art assez complet de ces travaux est effectué dans la thèse de E. Aycan Beyazit, « Interference Alignment Techniques for Heterogeneous Wireless Networks », Thèse de doctorat, Sept. 2016. La quasi-totalité des schémas d'émission-réception ou 25 précodeurs-postcodeurs développés dans l'art antérieur optimisent un critère de débit global ou local, ou un critère de qualité. Ces critères sont obtenus par convergence de procédures itératives très coûteuses à mettre en oeuvre comme il est décrit dans la thèse précitée. Les systèmes de précodage-postcodage actuels, malgré les avantages qu'ils procurent, se révèlent itératifs et très coûteux à mettre en oeuvre. Ils sont actuellement difficilement compatibles d'une mise en oeuvre 3 opérationnelle. A la connaissance du demandeur, l'art antérieur n'offre pas actuellement de solutions d'alignement d'interférences, non itératives, simples à mettre en oeuvre et compatibles d'une mise en oeuvre opérationnelle. 5 Dans la suite de la description, on appelle « lien descendant DL» (DownLink) le lien entre un noeud central et un ou plusieurs utilisateurs, et « lien montant UL » (Uplink) le lien entre un ou plusieurs utilisateurs et le noeud central. On notera aussi Ke le nombre d'antennes sélectionnées pour l'émission et Kr le nombre d'antennes sélectionnées pour la réception de 10 signaux, ces antennes pouvant appartenir à un noeud central ou bien à un utilisateur, selon le sens de la communication, lien descendant ou lien montant. Le mot antenne et le mot capteur désignent dans la présente description un même élément constituant un réseau d'antennes. 15 L'invention concerne un procédé pour multiplexer spatialement des liaisons de communications de type multiple entrées multiple sorties MIMO, pour des liens descendants DL et/ou pour des liens montants UL, au sein d'un réseau de communication comprenant au moins un noeud central NC comprenant un réseau émission/réception et au moins deux utilisateurs 20 T1, T2, un utilisateur étant équipé d'un réseau émission/réception caractérisé en ce que : - Pour calculer les coefficients utilisés à l'émission (précodage) on impose aux deux vecteurs canaux associés à chacun des deux utilisateurs T1, T2, d'être orthogonaux au niveau du réseau de 25 réception noeud central UL ou du réseau de réception des utilisateurs DL, - On calcule analytiquement les coefficients d'émission sous cette contrainte d'orthogonalité afin d'optimiser un critère lié au rapport signal sur interférences SINR pour chacun des utilisateurs. 30 Pour déterminer les coefficients en émission d'un signal pour la liaison descendante DL émis du noeud central NC vers au moins un 4 utilisateur Ti comportant Ke antennes d'émission, le procédé comporte au moins les étapes suivantes : o Calculer les vecteurs de précodage 1,1 et 1,2 associés respectivement aux deux utilisateurs T1, T2, en les recherchant comme une 5 combinaison linéaire des vecteurs propres associés aux deux plus grandes valeurs propres de la décomposition en valeurs singulières SVD des matrices de canal H1 et H2 de la liaison descendante, où a et À. sont deux variables complexes : + evi2 1.71 = a est solution d'une équation du second degré : aa2+ba+c= 0 10 avec : lb = (01241- 01011)171111221V11.2 V22 + (011ail - ai2012)121112V21V111V22 C = (1M0-11 - °12)V11-11V21V111 V22 on obtient deux valeurs pour a et on détermine pour chaque valeur al, a2 la valeur de À associée par la formule: a (42 vii2v2i + ail viliv2i À = o choisir parmi les deux couples de valeurs (al, 4) et (a2, 2.2) le couple qui maximise une fonction des SNIR associés aux deux utilisateurs, 15 définis comme suit : { SN/Ri = ail + 012 ial2 1 + le aZi + 0121À-12 SN/R2 .=--- 1 ± 12.12 où o-i2i correspond au carré de la valeur singulière j de la matrice canal Hi. 1-%/;r12 V21 + À V22 V2 = + ii112 a = aL(01 012)142vziv11121722 72 V2V22 _L 1,H 1, ' -' 11 "22 5 La fonction à maximiser correspond, par exemple, à Min(SN/Ri, SN/R2) ou à la somme SN/Ri+, SN/R2 ou à la somme log2(1+SN/R1) + log2(1 + SN/R2). Lorsque le nombre d'antennes à l'émission est supérieur à deux, 5 le procédé comporte une ou plusieurs étapes d'itération en recherchant les vecteurs v1(j) et y2(f) formés à partir des vecteurs propres y11 et y21 associés à la valeur maximale des valeurs singulières des SVD des deux matrices de canal des deux utilisateurs T1, T2 et aux vecteurs propres vu et V2p + cr(i)* = vii V2(J) \/1 + la(j)12 + )10 v2r = + kle)12 Ji 10 où j et j' sont des indices compris entre deux et Ke et en choisissant les valeurs de a(j) et .1.(f) qui conduisent à une maximisation d'une fonction de SN/Ri et de SN/R2. Pour un canal de propagation de dimension égale à un, on détermine les valeurs des coefficients des filtres de précodage à partir d'une 15 combinaison linéaire du premier vecteur propre des SVD effectuées sur les deux matrices de canal et des vecteurs propres yu et y21, qui maximisent respectivement Ivv211 et I viv2p1- Dans le cas de la liaison montante d'un utilisateur vers le noeud central, le procédé comporte les étapes suivantes : 20 o Calculer les pondérations pour l'émission yuu et vie2 du signal dans un espace engendré par les deux premiers vecteurs propres issus des décompositions en valeurs singulières SVD effectuées sur les matrices de canal Huu et H12: 6 V u1,1 = I 1 + lal2 v1,21 2. vu1,22 où le couple (a,2.) est solution de l'équation : (A + .1/3) + a(C + /1D) = 0 avec : {A = auulaut,21uul i muul,21 B = aui,licrut,22uul I muul,22 C = crut,12cru1,21uul I 1,12uui,21 D = cfut,i2cfut,22u1,12uut,22 0 choisir parmi les couples (a , À.) les couples qui maximisent une fonction des deux SINR (SN/R1,SN/R2) associés aux deux 5 utilisateurs : {SMR2 - SN/R1 = et2/1,11 + eill,121a12 41,21 + (11,221212 1 + la12 1 + 12.12 Les étapes sont par exemple itérées en recherchant les vecteurs vuu(i) et vun(f) formés à partir des différents vecteurs propres associés aux deux matrices de canal suivant la formule : Y11 + a(i)* = I 1 + la(j)12 Y21 + 2.(j) Y21. 1,20 = .N fi +1.1012 et on choisit le couple (j,j') qui conduit à la maximisation d'une fonction des 10 deux SINR (SN/R1,SN/R2). L'invention concerne aussi un système pour multiplexer spatialement des liaisons de communications de type multiple entrées multiple sorties MIMO, pour des liens descendants DL et/ou pour des liens montants UL, au sein d'un réseau de communication comprenant au moins Vu1,11 a* V u1,12 Vu1,2 = 7 un noeud central NC comprenant un réseau émission/réception et au moins deux utilisateurs T1, T2, un utilisateur étant équipé d'un réseau émission/réception caractérisé en ce que : o un utilisateur est équipé d'un processeur configuré pour exécuter les 5 étapes du procédé selon l'invention, ledit dispositif de traitement comprenant un module de précodage ayant pour fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de l'émission et un module de postcodage ayant pour fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de la réception, 10 o le noeud central comprend un processeur configuré pour exécuter les étapes du procédé selon l'invention, ledit dispositif comprenant un module de précodage configuré pour déterminer les coefficients à utiliser au niveau de l'émission et module de postcodage ayant pour fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de la 15 réception. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'exemples de réalisation annexée des figures qui représentent : - Figure 1, un exemple de système pour la mise en oeuvre du procédé, 20 - Figure 2, un schéma pour le sens montant, - Figure 3, un schéma pour le sens descendant, - Figure 4, un exemple de structure de trame, et - Figure 5, une illustration des étapes mises en oeuvre par le procédé selon l'invention. 25 La figure 1 illustre un exemple de système selon l'invention comprenant un noeud central NC et deux utilisateurs T1, T2. Un utilisateur T1, T2 comprend un réseau antennaire 10, 20 de Ki, antennes, chaque réseau d'antennes est relié à un système d'émission/réception 11, 21, permettant en réception d'échantillonner les 30 signaux reçus et de les passer en bande de base, et en émission de 8 transposer le signal numérique à émettre. Ce système est connu de l'homme du métier et est basé par exemple sur des récepteurs analogiques, permettant la transposition du signal reçu en fréquence intermédiaire ; des émetteurs analogiques, permettant la transposition du signal à émettre à la 5 fréquence d'émission, des convertisseurs DUC/DDC (Digital Up-Converter, Digital Down-Converter) et des convertisseurs analogique/numérique ou numérique/analogique CAN/CNA. Le système d'émission/réception est relié à un dispositif de traitement tel qu'un processeur de traitement de signal et/ou un circuit programmable FPGA (Field Programmable Gate Array) 12, 10 22 permettant de mettre en oeuvre les différents traitements du procédé selon l'invention pour chaque utilisateur. Le dispositif de traitement comprend un module de précodage 13, 23 (filtre numérique à l'émission) ayant pour fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de l'émission et un module de postcodage 14, 24 (filtre numérique à la réception) ayant pour 15 fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de la réception. Les antennes peuvent être des antennes réalisant la fonction d'émission/réception. Le réseau antennaire peut aussi comporter des antennes émission 10e, 20e et des antennes réception 10r, 20r, séparées et non représentées pour des raisons de simplification. 20 Le noeud central NC comprend un réseau antennaire 30 relié à un système d'émission/réception 31 connu par l'homme du métier et adapté en réception à échantillonner les signaux reçus et à les passer en bande de base, et en émission à transposer le signal numérique à émettre. Ce système est connu de l'homme du métier. Il est basé par exemple sur des 25 récepteurs analogiques, permettant la transposition du signal reçu en fréquence intermédiaire, des émetteurs analogiques, permettant la transposition du signal à émettre à la fréquence d'émission, des convertisseurs DUC/DDC (Digital Up-Converter, Digital Down-Converter) et des convertisseurs analogique/numérique ou numérique/analogique 30 CAN/CNA. Le système d'émission/réception est relié à un dispositif de traitement 32 tel qu'un processeur de traitement de signal et/ou un FPGA 9 permettant de mettre en oeuvre les différents traitements du procédé selon l'invention pour le noeud central. Le dispositif de traitement comprend un module de précodage 33 (filtre numérique à l'émission) ayant pour fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de l'émission et un module 5 de postcodage 34 (filtre numérique à la réception) ayant pour fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de la réception. Le réseau antennaire du noeud central peut aussi comporter des antennes émission et des antennes réception séparées et non représentées pour des raisons de simplification. 10 Un processeur comprend plusieurs fonctionnalités, dont notamment une fonction de synchronisation qui permet une émission synchronisée des signaux par les différents utilisateurs. Le système d'émission/réception permet également l'émission et la réception synchronisées des utilisateurs. En particulier, les oscillateurs locaux OLs 15 sont distribués sur les différentes voies d'émission/réception. Ces éléments sont bien connus de l'homme du métier et ne seront pas détaillés. Dans la suite de la description, les notations suivantes sont utilisées : - Le nombre d'antennes à l'émission Ke = K0 et le nombre d'antennes à 20 la réception Kr = Ku pour le lien descendant, du noeud central vers un utilisateur, - Le nombre d'antennes à l'émission Ke = Ku et le nombre d'antennes à la réception Kr = Kc pour le lien montant, d'un utilisateur vers un noeud central. 25 Pour déterminer les signaux à émettre sur le lien descendant DL, on a Ke antennes d'émission correspondant aux Kc antennes du noeud central NC et Kr antennes de réception correspondant aux Ku antennes de chacun des utilisateurs T1, T2, dans l'exemple on considère que les utilisateurs ont un même nombre d'antennes. 10 L'exemple détaillé qui suit explicite le calcul des coefficients des filtres à appliquer à l'émission et à la réception de signaux dans le cas d'un réseau de communication comprenant deux utilisateurs T1, T2 , un noeud central NC et avec les hypothèses et les notations suivantes : 5 o Sens descendant DL: un émetteur noeud central NC émet vers deux utilisateurs T1 et T2, O Ke antennes d'émission (au niveau du noeud central Ke=1 REVENDICATIONS1 - Procédé pour multiplexer spatialement des liaisons de communications de type multiple entrées multiple sorties MIMO, pour des liens descendants (DL) et/ou pour des liens montants (UL), au sein d'un réseau de communication comprenant au moins un noeud central NC comprenant un réseau émission/réception et au moins deux utilisateurs T1, T2, un utilisateur étant équipé d'un réseau émission/réception caractérisé en ce que : - Pour calculer les coefficients utilisés à l'émission (précodage) on impose aux deux vecteurs canaux associés à chacun des deux utilisateurs T1, T2, d'être orthogonaux au niveau du réseau de réception noeud central (UL) ou du réseau de réception des utilisateurs (DL), - On calcule analytiquement les coefficients d'émission sous cette contrainte d'orthogonalité afin d'optimiser un critère lié au rapport signal sur interférences SINR pour chacun des utilisateurs. 2 - Procédé selon la revendication 1 pour déterminer les coefficients en 20 émission d'un signal pour la liaison descendante DL émis du noeud central NC vers au moins un utilisateur Ti comportant Ke antennes d'émission caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : o Calculer les vecteurs de précodage yi et y2 associés respectivement aux deux utilisateurs T1, T2, en les recherchant comme une 25 combinaison linéaire des vecteurs propres associés aux deux plus grandes valeurs propres de la décomposition en valeurs singulières SVD des matrices canal H1 et H2 de la liaison descendante, où a et sont deux variables complexes : 28 V11 + tev12 V1 = .J1+ 1a12 V21 ± 11 V22 V2 = V1 ± 1,112 a est solution d'une équation du second degré : a a2+ b a+c= 0 avec : { a = 22 (2 - Cd2)1711121921V11121722 b = (cri2(711.- 0120L)vilivziviii2v22 + (C)-11Crîl - 012 °12 ) V1-12 V21 V111 V22 C = °11(Cr11 - Cr12)Vii1V21V111V22 on obtient deux valeurs pour a et on détermine pour chaque valeur al, a2 la valeur de À associée par la formule: 2 H H " u12 1'1 e'21 ' L'11 `' ,11,1'21 = ' ,2 5 o choisir parmi les deux couples de valeurs (ai, /Il) et (a2, 2.2) le couple qui maximise une fonction des SNIR associés aux deux utilisateurs, définis comme suit : '2 ' 4,H " "12 '12''22 ' 2 -' '11--' 22 {SNIRi = + 4 lai2 1 + lal2 + 0 SN/R2 = 121212 1 + IÀ12 où a2 correspond au carré de la valeur singulière j de la matrice canal Hi. Li 113 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la fonction à maximiser correspond à Min(SN/Ri, SN/R2) ou à la somme SN/Ri+, SN/R2 ou à la somme log2(1+SN/R1) + log2(1 + SN/R2). 4 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le nombre 15 d'antennes à l'émission est supérieur à deux, et en ce qu'il comporte une ou plusieurs étapes d'itération en recherchant les vecteurs v1(j) et v2(t) formés à partir des vecteurs propres vil et v21 associés à la valeur maximale des 29 valeurs singulières des SVD des deux matrices de canal des deux utilisateurs T1, T2 et aux vecteurs propres -1,11 et -1,21, Y11 + a(i)**1211 {Yi(i) - -N/1. + la(j)12 vzi + /1-(/) vzi. v2(i) = vil + P.012 où j et j' sont des indices compris entre deux et IC e et en choisissant les valeurs de a(j) et À(j) qui conduisent à une maximisation d'une fonction de 5 SN/Ri et de SMR2. 5 - Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que pour un canal de propagation de dimension égale à un, on détermine les valeurs des coefficients des filtres de précodage à partir d'une combinaison linéaire 10 du premier vecteur propre des SVD effectuées sur les deux matrices de canal et des vecteurs propres v11 et y21, qui maximisent respectivement I ,,,,H I IVIII.jV211 e,f 1 -ii -,., 2i, 1. 6 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce 15 que dans le cas de la liaison montante d'un utilisateur vers le noeud central, le procédé comporte les étapes suivantes : o Calculer les pondérations pour l'émission vuu et vu1,2 du signal dans un espace engendré par les deux premiers vecteurs propres issus des décompositions en valeurs singulières SVD effectuées sur les matrices de canal Hu1,1 et Hu1,2: Vu1,11 ± a*Vul,12 Vul,2 = - N Ji + P.12 où le couple (a, À) est solution de l'équation : (A + /1B) + a(C + /1D) = 0 .N I 1 + lal2 v1,21 + À 17u1,22 avec : {A = euta1eut,21uuli ciluui,21 B = aucliciut,22uuHuiuut22 C = cfut,i2crut,21uul I t,i2uui,21 D = criti,i2crut,22u1,12uui,22 o choisir parmi les couples (a, À) les couples qui maximisent une fonction des deux SINR (SN/R1,SN/R2) associés aux deux utilisateurs : SN/Ri = a/11 Cr u2, { + i2t1,121"12 1 + la i 2 SN/R2= au21,21 ± eu2/,22 le 1 + 1/112 5 7 - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que les étapes sont itérées en recherchant les vecteurs vuu(j) et vu1,2(f) formés à partir des différents vecteurs propres associés aux deux matrices de canal suivant la formule : V2(J) = + p.(f)12 Ji 10 et choisir le couple (j,j') conduisant à la maximisation d'une fonction des deux SINR (SN/Ri, SN/R2). 8 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les signaux sont transmis avec un format de trame qui se décompose en 15 une sous-trame UL pour la liaison descendante et une sous-trame UL pour la liaison montante et en ce que chacune de ces sous-trames est décomposée en : 30 vii + a(j) * y11 sJi (i) = + la(j)12 V21 31 - un slot MIMO REF sur lequel les séquences d'apprentissage permettant l'estimation des matrices de canal associées à chaque utilisateur sont émises, (501), chaque antenne ayant sa propre séquence de référence, - un slot MIMO DATA sur lequel les matrices de canal estimées pour chacun 5 des utilisateurs sont envoyées, afin de calculer des vecteurs de précodage (510) pour l'autre sens de la liaison, en utilisant les pondérations calculées suivant les étapes de la revendication 2 et de la revendication 3 pour la liaison descendante (509) et en utilisant les pondérations calculées suivant les étapes des revendications 6 et 7 pour la liaison montante, (503), 10 - N slots MIMO DATA configurés pour émettre les données utiles à destination du noeud central NC, en utilisant les pondérations calculées suivant les étapes des revendications 2 et 3 pour la liaison descendante et les pondérations calculées suivant les étapes suivant les revendications 6 et 7 pour la liaison montante. 15 9 - Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'un slot MIMO_REF est formé d'un palier sur lequel chaque antenne d'émission émet sa propre séquence de référence obtenue à partir d'un shift cyclique effectué sur une séquence Cazac. 20 10 - Système pour multiplexer spatialement des liaisons de communications de type multiple entrées multiple sorties MIMO, pour des liens descendants (DL) et/ou pour des liens montants (UL), au sein d'un réseau de communication comprenant au moins un noeud central NC comprenant un réseau émission/réception et au moins deux utilisateurs T1, T2, un utilisateur étant équipé d'un réseau émission/réception (10, 20) caractérisé en ce que : o un utilisateur est équipé d'un processeur (12, 22) configuré pour exécuter les étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, ledit dispositif de traitement comprenant un module de précodage (13, 23) ayant pour fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de l'émission et un module de postcodage (14, 24) ayant pour 32 fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de la réception, o le noeud central comprend un processeur (32) configuré pour exécuter les étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, ledit 5 dispositif comprenant un module de précodage (33) configuré pour déterminer les coefficients à utiliser au niveau de l'émission et module de postcodage (34) ayant pour fonction de déterminer les coefficients à utiliser au niveau de la réception.