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26/10/2012 1 C. DUDAL - Soutenance de thèse Clément DUDAL 26 octobre 2012 Directrice de thèse: Marie-Laure Boucheret Co-directrice de thèse: Nathalie Thomas Encadrant industriel: Mathieu Dervin Forme d’onde multiporteuse pour de la diffusion par satellite haute capacité

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26/10/2012 1 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Clément DUDAL 26 octobre 2012

Directrice de thèse: Marie-Laure Boucheret Co-directrice de thèse: Nathalie Thomas Encadrant industriel: Mathieu Dervin

Forme d’onde multiporteuse pour de la diffusion par satellite haute capacité

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26/10/2012 2 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction

2. Approche monoporteuse: forme d’onde CDM-CCSK

3. Approche multiporteuse: forme d’onde MC-CSK

4. Forme d’onde et codage canal

5. Conclusions et perspectives

Sommaire

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26/10/2012 3

Contexte: diffusion par satellite

C. DUDAL - Soutenance de thèse

Evolution des normes: DVB-S2 (2003) issu du DVB-S (1994), gain sur la capacité de diffusion de 30%

Satellite géostationnaire

Contenus multimédia

Emetteur Terminaux satellite fixes

Liaison montante (UL) DVB-S2

Liaison descendante (DL) DVB-S2

1. Introduction

Transmissions possibles sur plusieurs bandes de fréquence entre 1 et 40 GHz (C, Ku, Ka) ressources attribuées limitées: bande C: < 100 MHz, bande Ku: ≈ 500 MHz

Augmentation des besoins en termes de débit (TV HD, internet par satellite)

Améliorations continues sur les technologies bord et sol (antennes, traitement du signal, …): bilans de liaison de plus en plus favorables

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26/10/2012 4 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Dans ce contexte de diffusion, amélioration du compromis entre efficacité en

puissance et efficacité spectrale offert par la norme actuelle

Nouvelle approche basée sur une combinaison de techniques caractérisées par

• une bonne efficacité en puissance

modulation par codage Cyclic Code Shift Keying (CCSK)

• une bonne efficacité spectrale

multiplexage par codage Code Division Multiplexing (CDM)

Motivations

1. Introduction

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26/10/2012 5 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction

2. Approche monoporteuse: forme d’onde CDM-CCSK

3. Approche multiporteuse: forme d’onde MC-CSK

4. Forme d’onde et codage canal

5. Conclusions et perspectives

Sommaire

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Page 6: Forme d’onde multiporteuse pour de la diffusion par ... · 26/10/2012 C. DUDAL - Soutenance de thèse 21 . Forme d’onde CDM-CCSK – Détection à faible charge Une détection

26/10/2012 6 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Proposer une forme d’onde qui offre conjointement

Une haute efficacité en puissance ηP

Une haute efficacité spectrale ηS

0 2 4 6 8 10 1210

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Eb/N0 (dB)

TEB

rapport de puissance signal à bruit par bit (Eb/N0) nécessaire pour atteindre un taux d’erreur cible

1. Introduction 2. CDM-CCSK

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26/10/2012 7 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Proposer une forme d’onde qui offre conjointement

Une haute efficacité en puissance ηP

Une haute efficacité spectrale ηS

• débit binaire atteignable pour une largeur de bande donnée

• dépend de la modulation, de la mise en forme et du codage canal

• exemples avec roll-off = 0.25

modulation 16-APSK 3/4, efficacité spectrale = 2.4 bit/s/Hz

modulation 32-APSK 4/5, efficacité spectrale = 3.2 bit/s/Hz

1. Introduction 2. CDM-CCSK

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26/10/2012 8 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Basée sur l’utilisation de la modulation Cyclic Code Shift Keying (CCSK)

Modulation des bits à transmettre par codage

Séquence d’étalement binaire de longueur N chips et ses N-1 permutations

circulaires

Ensemble de N séquences permettant de coder log2(N) bits par séquence

Utilisée en navigation (service de géolocalisation japonais QZSS, 2010)

Efficacité spectrale: , (DS-CDMA: )

Forme d’onde CDM-CCSK

1. Introduction 2. CDM-CCSK

ηS = log2(N)

N ηS =

1 N

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26/10/2012 9 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Performances de la modulation CCSK

proches des modulations orthogonales (type FSK)

son efficacité en puissance augmente avec la longueur N des séquences utilisées

0 2 4 6 8 10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

Eb/N0 (dB)

TES

N = 32N = 256N = 2048

0 200 400 600 800 1000

10-2

10-1

100

N

Effic

acité

spec

tral

e η S

Taux

d’E

rreu

r Séq

uenc

e

Eb/N0 (dB)

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26/10/2012 10 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Amélioration de l’efficacité spectrale proposée par la modulation CCSK seule Technique de multiplexage par codage: Code Division Multiplexing (CDM) Utilisation de toute la bande simultanément par tous les flux multiplexés

L’efficacité spectrale globale est fonction du nombre de flux multiplexés K

Fréquence

Densité Spectrale de Puissance

K

N

Temps ηS =

log2(N)

N K

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26/10/2012 11 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Forme d’onde CDM-CCSK

Les données à transmettre sont parallélisées en K flux, K ≤ N

Chaque flux est modulé grâce à L séquences d’étalement de longueur N chips

Chaque séquence attribuée à un flux code log2(L) bits

La capacité de transmission dépend de la charge du système Nombre L de séquences par flux Nombre K de flux multiplexés

flux 1

flux K

01101

00100

données

log2(L) bits Modulation CCSK Multiplexage CDM

L séquences d’étalement

L séquences d’étalement

Macrosymbole formé de N chips

N

t

S / P

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26/10/2012 12 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Séquences d’étalement

Quelles séquences utiliser pour réaliser la modulation et le multiplexage simultanément?

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Conditions sur les séquences du système:

une séquence doit être discernable d’une version permutée d’elle-même

application de la modulation CCSK

une séquence doit être discernable des autres séquences du système et de leurs versions

permutées

application du multiplexage CDM

le nombre de séquences remplissant ces deux conditions doit être le plus grand possible

capacité globale de la forme d’onde CDM-CCSK

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Chaque séquence de G(a,b) peut être permutée N-1 fois pour former un sous-ensemble

de N séquences (une séquence et ses N-1 permutations)

26/10/2012 13 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Séquences d’étalement

Séquences de Gold (R. Gold, 1967)

Construites à partir d’une paire préférée de séquences de longueur maximale a et b

Pour une longueur N de séquence, il existe N+2 séquences de Gold:

N(N+2) séquences disponibles

1. Introduction 2. CDM-CCSK

G(a,b) = {a, b, a b, a Tb, …, a TN-1b} Ensemble

N+2

Les valeurs d’intercorrélation entre deux séquences et les lobes secondaires de

l’autocorrélation sont bornés

T: opérateur de permutation circulaire

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26/10/2012 14 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Formalisme

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Chaque flux i utilise L séquences de Gold de longueur N = 2m – 1 regroupées selon les

colonnes d’une matrice Ci de taille N x L pour moduler les données à transmettre:

Ci = (c1i c2i … cLi )

Les K matrices Ci associées aux K flux parallélisés sont regroupées dans une matrice C

de taille N x LK L

N

LK

C = C1 C2 … CK

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26/10/2012 15 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Formalisme

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Méthode d’attribution des séquences par flux

C1 reçoit L séquences de Gold issues de l’ensemble G’(a,b)

C2 reçoit les mêmes L séquences permutées d’un chip

CK reçoit les mêmes L séquences permutées de K-1 chips

G’(a,b) = {a, a b, a Tb, …, a TN-1b} on déduit l’ensemble

N+1 = 2m séquences

G(a,b) = {a, b, a b, a Tb, …, a TN-1b} , A partir de l’ensemble

Les séquences de G’(a,b) sont équidistantes au sens de la distance Euclidienne et

la distance entre deux séquences s1 et s2 vaut

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26/10/2012 16 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Formalisme

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Expression d’un macrosymbole: y = Cg

C1 C2 … CK

L

N

LK

C =

L

Vecteur g de taille LK x 1

0 1

0

0 ⁞

1 0

0

0 ⁞

0 1

0

0

Structure particulière du vecteur g

Composé de 0 et de K valeurs non nulles valant 1

désignant la séquence transmise pour chaque flux

A chaque macrosymbole transmis correspond une

configuration du vecteur g

Macrosymbole reçu: z = y + w , w bruit blanc Gaussien

= Cg + w

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26/10/2012 17 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Sommaire

1. Introduction 2. CDM-CCSK

1. Introduction

2. Approche monoporteuse: forme d’onde CDM-CCSK

• Etude à faible charge: K<<N ou L<<N

• Etude à forte charge

3. Approche multiporteuse: forme d’onde MC-CSK

4. Forme d’onde et codage canal

5. Conclusions et perspectives

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t

I

Modulation CDM-CCSK

bits macrosymboles

Q

j

26/10/2012 18 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Efficacité spectrale à faible charge

Modulation CDM-CCSK

bits macrosymboles

K log2(L) ηS =

N 2

Doublement de l’efficacité spectrale grâce à une modulation des macrosymboles en quadrature

macrosymboles à valeurs complexes

log2(L) ηS =

N K

Démodulation cohérente en réception:

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Page 19: Forme d’onde multiporteuse pour de la diffusion par ... · 26/10/2012 C. DUDAL - Soutenance de thèse 21 . Forme d’onde CDM-CCSK – Détection à faible charge Une détection

26/10/2012 19 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Efficacité en puissance à faible charge

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Dérivation d’une approximation sur les performances en termes de

Taux d’Erreur Macrosymbole (TEM)

Taux d’Erreur Bit (TEB)

TEM = probabilité qu’un macrosymbole détecté soit faux i.e. qu’au moins une

séquence parmi les K qui le composent soit erronée. Hypothèse:

A fort rapport signal à bruit, en cas d’erreur de détection sur un macrosymbole, la

probabilité d’avoir une seule séquence fausse, parmi les K transmises dans ce

macrosymbole, domine

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Le TEM dépend de la probabilité d’erreur au niveau séquence

Les erreurs de détection au niveau séquence ont lieu entre deux séquences d’une

même matrice Ci relative à un flux

La méthode d’attribution des séquences garantit que les L séquences d’une matrice Ci

sont équidistantes avec d² = dmin2 = 2(N+1)

26/10/2012 20 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Efficacité en puissance à faible charge

1. Introduction 2. CDM-CCSK

APTEM = LK Q dmin 2σ

APTEB = dmin

2(L-1)

log2 L Q

une approximation du taux d’erreur macrosymbole:

On en déduit:

une approximation du taux d’erreur binaire:

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26/10/2012 21 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Détection à faible charge

Une détection flux par flux est limitée par les interférences

Adoption d’une détection jointe des flux avec un estimateur optimal au sens du

maximum de vraisemblance

La détection consiste à retrouver le vecteur g transmis connaissant la matrice C

définissant le système: Elle est implémentée

• avec du décodage sphérique si LK ≤ N

• avec du décodage sphérique généralisé si LK > N

Complexité du décodage sphérique

• Exponentielle à faible SNR: LγK, γ ≈ 1

• Diminue avec l’augmentation du rapport signal à bruit , γ << 1

1. Introduction 2. CDM-CCSK

canal détecteur z = Cg + w flux 1

flux K

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26/10/2012 22 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Résultats

Validation de l’hypothèse sur le nombre d’erreur à fort SNR, séquence de longueur N = 31

1. Introduction 2. CDM-CCSK

43 2 1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5 6Eb/N0 (dB)

K=4, L=32

Nombre d’erreurs

Prob

abili

4 3 2 1

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Eb/N0 (dB)

K=4, L=8

Nombre d’erreurs

Prob

abili

Hypothèse:

A fort rapport signal à bruit, en cas d’erreur de détection sur un macrosymbole, la

probabilité d’avoir une seule séquence fausse, parmi les K transmises dans ce

macrosymbole, domine

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26/10/2012 23 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Résultats

Taux d’erreur simulés et comparaison à l’approximation proposée pour N=31 et K=4

L=2 L=4 L=8 L=16 L=32 BPSK QPSK

0.26 0.52 0.77 1.03 1.29 1 2

N=31, K=4

ηS (bit/s/Hz)

Simulation en trait plein et approximation en pointillé

0 2 4 6 8 10 12 1410

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

L=2L=4L=8L=16L=32

0 2 4 6 8 10 12 1410

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Eb/N0 (dB) Eb/N0 (dB)

Taux

d’E

rreu

r Mac

rosy

mbo

le

Taux

d’E

rreu

r Bin

aire

1. Introduction 2. CDM-CCSK

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26/10/2012 24 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Sommaire

1. Introduction

2. Approche monoporteuse: forme d’onde CDM-CCSK

• Etude à faible charge

• Etude à forte charge: K → N, L → N

3. Approche multiporteuse: forme d’onde MC-CSK

4. Forme d’onde et codage canal

5. Conclusions et perspectives

1. Introduction 2. CDM-CCSK

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26/10/2012 25 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK à forte charge

Contraintes liées à la charge

La complexité du détecteur devient limitante même avec le décodage sphérique

L’unicité des motifs de macrosymboles n’est plus garantie

Propositions

Cas d’étude pour une plus faible longueur de séquences: N = 7

Sélection des motifs uniques de macrosymboles

Définition d’un nouvel alphabet composé de M macrosymboles uniques

Chaque macrosymbole de l’alphabet code log2M bits

macrosymbole y = Cg

log2 M bits Mapping bits macrosymboles

Canal AWGN

Démodulation bits reçus macrosymbole

z = y + w

Nouvelle approche monoflux

La démodulation consiste à retrouver le macrosymbole de l’alphabet qui a été transmis

Détecteur optimal au sens du maximum de vraisemblance:

1. Introduction 2. CDM-CCSK

= séquences {s’1, s’2,…, s’K} ? t

détecteur sK

s2

s1

M1

s’K

s’2

s’1

M1

séquences {s1, s2,…, sK} ? ≠

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26/10/2012 26 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Efficacité à forte charge

Efficacité spectrale:

ηS = log2(M)

N 2

Dépend de la taille M de l’alphabet

Doublée grâce à la modulation des macrosymboles en quadrature

Efficacité en puissance

Dans le nouvel alphabet, les macrosymboles ne sont pas équidistants

On ne considère que les plus proches voisins en termes de distance, d = dmin

Les plus proches voisins ne diffèrent que d’une séquence dans leur construction

Nombre moyen de bits différents entre un macrosymbole et ses plus proches voisins: NNN

APTEB = NNN Q dmin 2σ

1. Introduction 2. CDM-CCSK

=

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26/10/2012 27 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Résultats de simulations

Séquences de longueur N=7

Sélection des motifs uniques à partir des macrosymboles définis par un système

CDM-CCSK multiflux avec K=7 flux multiplexés et L=8 séquences par flux

On isole M=49752 motifs uniques

Charge ηS (bit/s/Hz) Modulation équivalente

M=27 2 QPSK (DVB-S/DVB-S2)

M=211 3.14 ≈ 3 8-PSK (DVB-S2)

M=214 4 16-APSK (DVB-S2)

Charges retenues pour simulation et comparaison

1. Introduction 2. CDM-CCSK

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0 2 4 6 8 1010

-6

10-4

10-2

100

TEB simuléApproximation du TEBTEB théorique QPSK

Taille de l’alphabet M = 27

Eb/N0 (dB)

TEB

26/10/2012 28 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Résultats de simulations

0 2 4 6 8 10 1210

-6

10-4

10-2

100

TEB simuléApproximation du TEBTEB théorique 16APSK

Taille de l’alphabet M = 214

Eb/N0 (dB)

TEB

0 2 4 6 8 10 1210

-6

10-4

10-2

100

TEB simuléApproximation du TEBTEB théorique 8PSK

Taille de l’alphabet M = 211

Eb/N0 (dB)

TEB

1. Introduction 2. CDM-CCSK

Page 29: Forme d’onde multiporteuse pour de la diffusion par ... · 26/10/2012 C. DUDAL - Soutenance de thèse 21 . Forme d’onde CDM-CCSK – Détection à faible charge Une détection

26/10/2012 29 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Forme d’onde CDM-CCSK – Variations de la puissance

La forme d’onde CDM-CCSK présente de fortes variations de puissance d’un

macrosymbole à l’autre

La dispersion autour de la puissance moyenne implique un recul important en entrée

des amplificateurs pour réduire les distorsions non-linéaires

Perte d’efficacité en puissance

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

0.05

0.1

0.15

0.2

Niveaux de puissance normalisée

Dens

ité d

e pr

obab

ilité

Moyenne

1. Introduction 2. CDM-CCSK

0 1 2 3 4 5 6 7

-10

-5

0

5

10

Temps

Ampl

itude

macrosymbole 1 macrosymbole 2

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26/10/2012 30 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction

2. Approche monoporteuse: forme d’onde CDM-CCSK

3. Approche multiporteuse: forme d’onde MC-CSK

4. Forme d’onde et codage canal

5. Conclusions et perspectives

Sommaire

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK

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26/10/2012 31 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Solution proposée: la concaténation de P macrosymboles et leur transposition sur les

Nc porteuses d’un modulateur OFDM définissant la forme d’onde MC-CSK

Réduction de la variation de la puissance moyenne par symbole OFDM

Augmentation du gain en efficacité spectrale par rapport à une monoporteuse

Variation de la puissance des macrosymboles

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK

bits

P x n bits

S / P

1

2

P

CDM-CCSK

P x N chips

Voie I

Voie Q

j

concaténation

N x P

CDM-CCSK

CDM-CCSK

bits S / P

1

2

P

CDM-CCSK

CDM-CCSK

CDM-CCSK

1 2

OFDM

Nc

1 2

MC-CSK

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26/10/2012 32 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Variation de la puissance des macrosymboles

La concaténation

réduit d’un facteur P la variance de la puissance moyenne d’un symbole OFDM

réduit le TEB dans une chaine avec amplificateur pour une même valeur de recul en entrée

0 10 20 30 40 50 600

0.02

0.04

0.06

0.08

0 10 20 30 40 50 600

0.01

0.02

0.03

Niveaux de puissance

Multiporteuse avec concaténation

Dens

ité d

e pr

obab

ilité

De

nsité

de

prob

abili

Monoporteuse

0 2 4 6 8 10 1210

-6

10-4

10-2

100

TEB sans HPA (performance idéale) TEB Multiporteuse IBO = 4 dBTEB Monoporteuse IBO = 4 dB

Performances avec un amplificateur

Eb/N0 (dB)

TEB

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK

Pmoy

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26/10/2012 33 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Variations de l’enveloppe complexe d’un signal multiporteuse

Le format MC-CSK stabilise la puissance des symboles OFDM mais:

les signaux multiporteuses présentent de fortes variations d’enveloppe

le rapport puissance crête/puissance moyenne varie en conséquence

Expression d’un symbole OFDM:

Définition du Peak-to-Average-Power Ratio (PAPR):

Approximation de la distribution du PAPR [1]:

[1] S. Wei, D.L. Goeckel and P.E. Kelly. A modern extreme value theory approach to calculate the distribution of the PAPR in OFDM systems. In Communications, ICC 2002

4 6 8 10 1210

-4

10-2

100

Simulation signal OFDMApproximation

Prob

( PAP

R> P

APR 0

)

PAPR0 (dB)

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK

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26/10/2012 34 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Technique de réduction du PAPR

Thème de recherche important Nombreuses techniques disponibles

Choix d’une technique peu complexe, sans perte d’efficacité spectrale ni augmentation

de la puissance du signal

4 5 6 7 8 9 10 11 12 1310

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Avec transforméenon-linéaireSans transforméenon-linéaire

Prob

( PAP

R> P

APR 0

)

PAPR0 (dB) 0 2 4 6 8 10 12 14

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Sans transforméeSans transformée + HPA, IBO 4 dBAvec transforméeAvec transformée + HPA, IBO 4 dB

TEB

Eb/N0 (dB)

Signal multiporteuse

bits Modulation MC-CSK

C(x) Démodulation MC-CSK

bits reçus Canal AWGN

C-1(x)

[2] T. Jiang and G. Zhu. Nonlinear companding transform for reducing PAPR of OFDM signals. Broadcasting, IEEE Transactions on, ICC 2002

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK

Transformée non-linéaire [2]:

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26/10/2012 35 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction

2. Approche monoporteuse: forme d’onde CDM-CCSK

• Etude à faible charge

• Etude à forte charge

3. Approche multiporteuse: forme d’onde MC-CSK

4. Forme d’onde et codage canal

5. Conclusions et perspectives

Sommaire

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal

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0 2 4 6 8 1010

-6

10-4

10-2

100

TEB simuléApproximation du TEBTEB théorique QPSK

Taille de l’alphabet M = 27

Eb/N0 (dB)

TEB

26/10/2012 36 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Comparaison des performances non codées avec le standard DVB-S2

0 2 4 6 8 10 1210

-6

10-4

10-2

100

TEB simuléApproximation du TEBTEB théorique 16APSK

Taille de l’alphabet M = 214

Eb/N0 (dB)

TEB

0 2 4 6 8 10 1210

-6

10-4

10-2

100

TEB simuléApproximation du TEBTEB théorique 8PSK

Taille de l’alphabet M = 211

Eb/N0 (dB)

TEB DVB-S2

DVB-S2

DVB-S2

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal

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26/10/2012 37 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Analyse d’un code adapté à la forme d’onde

Utilisation de codes par bloc

Statistique d’erreur au niveau bit en cas d’erreur au niveau macrosymbole

04

80

0.05

0.1

0.15

0.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314

Eb/N0 (dB) Nombre de bits faux

Distribution des probabilités de nombre de bits faux en cas d'erreur sur un macrosymbole pour M=214

Une erreur macrosymbole = plusieurs bits faux

Codes efficaces pour la gestion de paquets d’erreur

Codes par bloc non binaires • Reed-Solomon (RS) • Low-Density Parity-Check Non Binaire (NB-LDPC)

La forme d’onde MC-CSK module les bits sur des macrosymboles de N chips

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal

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26/10/2012 38 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Codage Reed-Solomon

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal

Les codes RS sont utilisés en communications mobiles ou par satellite, diffusion TV, …

Un symbole RS = m bits, un macrosymbole = nombre entier de symboles RS

Approche monoflux offre une plus grande efficacité spectrale

un macrosymbole module log2M bits → log2M ≡ 0 [m]

Choix d’un code court pour limiter la complexité: m = 7, NRS = 127

• Pour M = 27, un macrosymbole = un symbole RS

• Pour M = 214, un macrosymbole = deux symboles RS

Optimisation du rendement pour une longueur de mot de code fixée

Codeur RS

m x KRS bits m x NRS bits Modulation CDM-CCSK

Modulation MC-CSK

macrosymboles

Canal AWGN Décodeur

RS Démodulation

CDM-CCSK Démodulation

MC-CSK

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26/10/2012 39 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Codage Reed-Solomon – Résultats

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal

0 10 20 30 40 504

5

6

7

8

X: 19Y: 4.784

Eb/N

0 po

ur a

voir

TEB o

ut

Capacité de correction t 0 10 20 30 40 50

8

9

10

11

12

X: 17Y: 8.66

Eb/N

0 po

ur a

voir

TEB o

ut

Capacité de correction t

0 2 4 6 8 10 12 1410

-4

10-3

10-2

10-1

100

Non codéCodé R=1/4Codé R=9/10Codé Ropt=7/10

TEB

Eb/N0 (dB) 0 2 4 6 8 10 12

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Non codéCodé R=2/3Codé R=9/10Codé Ropt=0.73

TEB

Eb/N0 (dB)

M=27 M=214

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26/10/2012 40 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Codes Low-Density Parity-Check (LDPC)

Codes en bloc linéaires à faible densité, binaires: Gallager (62), non binaires: MacKay (96)

Code LDPC binaire utilisé dans la norme DVB-S2

Codes LDPC non binaires disponibles dans GF(64) => 6 bits par symbole de codage

Longueur des mots de code: NL1=16 et NL2=384, Rendement R=1/2

Choix de nouvelles tailles d’alphabet

• M=26 , un macrosymbole = un symbole LDPC

• M=212 , un macrosymbole = deux symboles LDPC

Décodage souple impliquant le calcul de Log Likelihood Ratio (LLR)

Algorithme de décodage: Extended-Min-Sum , sous-optimal à complexité réduite

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal

Codeur LDPC NB

m x KL bits m x NL bits Modulation CDM-CCSK

Modulation MC-CSK

macrosymboles

Canal AWGN Décodeur LDPC NB Calcul des LLR

Démodulation MC-CSK

échantillons LLR

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26/10/2012 41 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Codes Low-Density Parity-Check Non Binaires – Résultats

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal

-2 0 2 4 6 8

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Non codéLDPC NL1 R=1/2

LDPC NL2 R=1/2

RS, R=1/2RS, R=Ropt=0.68

0 2 4 6 8 10 12 14

10-4

10-3

10-2

10-1

100

LDPC NL1 R=1/2

LDPC NL2 R=1/2

RS, R=1/2RS, R=Ropt=3/4

Non codé

TEB

Eb/N0 (dB)

M=26

TEB

Eb/N0 (dB)

M=212

Longueur des mots de code: NL1 = 16 NL2 = 384

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-2 0 2 4 6 8 10 12 14

10-4

10-3

10-2

10-1

100

MC-CSK LDPC NL1

MC-CSK non codé8-PSK LDPC NL1

8-PSK non codé

-2 0 2 4 6 8 10 12 14

10-4

10-3

10-2

10-1

100

MC-CSK LDPC NL2

MC-CSK non codé8-PSK LDPC NL2

8-PSK non codé

26/10/2012 42 C. DUDAL - Soutenance de thèse

Codes Low-Density Parity-Check Non Binaires – Résultats

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal

TEB

Eb/N0 (dB)

M=212

MC-CSK M=212 ηS = 3.4 bit/s/Hz

8-PSK ηS = 3 bit/s/Hz

Longueur des mots de code NL1 = 16 NL2 = 384

TEB

Eb/N0 (dB)

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26/10/2012 43 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction

2. Approche monoporteuse: forme d’onde CDM-CCSK

• Etude à faible charge

• Etude à forte charge

3. Approche multiporteuse: forme d’onde MC-CSK

4. Forme d’onde et codage canal

5. Conclusions et perspectives

Sommaire

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal 5. Conclusion

Page 44: Forme d’onde multiporteuse pour de la diffusion par ... · 26/10/2012 C. DUDAL - Soutenance de thèse 21 . Forme d’onde CDM-CCSK – Détection à faible charge Une détection

26/10/2012 44 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal 5. Conclusion

Contributions de la thèse

Dans un contexte de limitations des ressources (bande, puissance) et d’augmentation

des besoins en termes de débits

• À forte charge et efficacité spectrale équivalente, une amélioration de

l’efficacité en puissance à partir d’un certain rapport signal à bruit par rapport à

des modulations existantes

• À faible charge, une amélioration de l’efficacité en puissance avec

l’augmentation de l’efficacité spectrale

Une étude analytique des performances pour chaque configuration de charge

Une proposition de codage canal adapté à la forme d’onde MC-CSK basé sur des

codes par bloc non binaires

Une forme d’onde multiporteuse MC-CSK offrant

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26/10/2012 45 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal 5. Conclusion

Conclusions

Les performances non codées de la forme d’onde MC-CSK pour une faible longueur de séquence sont meilleures par rapport aux modulations de la norme DVB-S2 à partir d’un certain SNR. Mais la comparaison n’est pas avantageuse aux points de fonctionnement spécifiés dans la norme.

La structure de la forme d’onde favorise l’application d’un codage par bloc non binaire.

L’augmentation de la taille des séquences utilisées est nécessaire pour améliorer le compromis entre efficacité spectrale et efficacité en puissance.

Les limitations introduites par la taille des séquences et la charge du système dépendent aujourd’hui des capacités de calcul disponibles.

L’évolution très probable à moyen et long terme des transmissions par satellite vers un partage des canaux entre plusieurs porteuses rendra la contrainte sur la variation du PAPR des signaux moins discriminante.

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26/10/2012 46 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal 5. Conclusion

Perspectives

La recherche d’une famille de séquences d’étalement plus adaptée aux besoins du

multiplexage

L’étude plus large des techniques de réduction du PAPR en vue d’une amélioration

de l’efficacité en puissance globale de la forme d’onde MC-CSK

La poursuite de l’étude du codage canal avec d’autres caractéristiques de code

(taille du code, rendement, taille du corps de Galois) et la concaténation de codes

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26/10/2012 47 C. DUDAL - Soutenance de thèse

1. Introduction 2. CDM-CCSK 3. MC-CSK 4. Codage Canal 5. Conclusion

Questions?