param.trisation 27 janvier 2005 JP...MIMO Voir bibliographie de : J.Palicot, C. Roland, « FFT : a basic function for a reconfigurable receiver » ICT’ 2003 , février 2003 séminaire

1

1séminaire SCEE- 27 janvier 2005- Les techniques de Paramétrisation

Intérêt des Techniques de Paramétrisation pour une architecture

Radio Logicielle Reconfigurable

J.PalicotSupélec-Rennes/SCEE

Séminaire SCEEDate : 27 Janvier 2005


Généralités•Contexte,Fonctions à réaliser

Approche théorique

Fonctions communes paramétrables•Exemples : le codage canal , le modulateur

Opérateur commun paramétrable•l’opérateur FFT

•l’opérateur Muldiv

Conclusions

Paramétrisation

2


Reconfigurer l’interface Air et les différents protocoles des nombreux standards.Les standards sont normalisés et décrits de manière à être réalisé par différents constructeurs et compris partout dans le monde.

Il s’agit de déterminer quels sont les principes de construction communs à tous les standards.Définition de primitives de traitement.

Paramétrisation: Généralités 1/5


Codage Modulation

AccèsAMRF

Codage Modulation

Codage Modulation

Codage Modulation

AccèsAMRT

Codage Modulation

Codage Modulation

Canal

Canal

Canal

Canal

Stan

dard

n° 1

Stan

dard

n° 3

n° 2 Récepteur

Universel

AccèsAMRC

Stan

dard

Codage

Codage

Codage

Modulation

Modulation

Modulation

Canal

Canal

Canal

Codage Modulation

AccèsAMRF

Codage Modulation

Codage Modulation

Codage Modulation

AccèsAMRT

Codage Modulation

Codage Modulation

Canal

Canal

Canal

Canal

Stan

dard

n° 1

Stan

dard

n° 3

n° 2 Récepteur

Universel

AccèsAMRC

Stan

dard

Codage

Codage

Codage

Modulation

Modulation

Modulation

Canal

Canal

Canal


3


Analogie avec le monde du PC :

Excel

Word

Internet

WINDOWS

Access

Powerpoint

Excel

Word

Internet

WINDOWS

Access

Powerpoint RLAN

UMTS

Globalstar

GSMIS 95

OS temps réel

FPGADSP



Optimisation des ressources(Télé) chargement

Taille du logicielRapidité de téléchargementEncombrement des réseaux

Matériel (fonctions numériques)Rapidité exécutionConsommationTaille mémoirePartitionnement optimal entre les composants


4


Optimisation Du CodesignRéduction du temps de développement

Rapidité mise sur le marchéGain en coût de développementGain en fiabilité du produit



Basebandfilter

Symbolrecovery Equalizer Carrier

recoveryChanneldecoding

Fonctions Bande de Base :Récepteur monoporteuse

Paramétrisation: Les fonctions à réaliser 1/6

5


Channeldecoding

CorrelatorRake

Low PassFilter

Fonctions Bande de Base :Récepteur à étalement de Spectre (CDMA)



FFT Channelestimation Synchro deinterleaving Channel

decoding

Fonctions Bande de Base :Récepteur multiporteuse


6


ADC I/Q downconversion

Sample rateconversion Channelization

Les Fonctions du DFEUne partie des anciennes fonctions analogiques est effectuée en numérique :

Transposition I/QDiminution de la fréquence d’échantillonnageDécoupage en canaux

Les contraintes:DSP rapide Filtrage fractionnelOL numérique

Les fonctions Bande de Base restent dans le domaine numérique



Function Cla

ssic

al

mon

ocar

rier

CD

MA

Mul

ticar

rier

new

SW

R

(DFE

)

Filtering X X X X

Equalization X

Channel estimation X X X

Multi User Detection X

Despreading / RAKE X

Deinterleaving X X X

Carriers clock recoveries X X X

Channel decoding X X X

IQ Down Conversion X

Sample Rate Conversion X

Channelization X

BILAN DES FONCTIONS A REALISER


7


Paramétrisation: Approche théorique 1/2N dimensions à prendre en

compte pour définir un Graphe

•Standards

•Couches OSI

•Fonctions

•Différentes manières de les réaliser


Standard UMTS IS95 DECT WI-FIGSM

Function HMI deconvolution Synchro ModulationCoding

Source Channel Mono FDM

Multichannel OFDM

channel perchannel

Filterbank

FFT

CICCordic

Butterfly

Mapping

MACTable⊕⊗Z-1

Equalization

FIR

Paramétrisation: Approche théorique 2/2

OPTIMISATION DU GRAPHE

Fonction de coût?Une ou plusieurs?

Ressource, consommation,Nd’O, surface,….

Quelle théorie des graphes?

8


Deux approches techniques très prochesFonctions communes: Recherche des ensembles Plus Grand Commun de Fonctions pour un ensemble de standards.Opérateur commun: opérateur de niveau le plus élevé, utilisé par le maximum de fonctions de tous les standards

Accroître le degré de granularité

Paramétrisation: les Deux Approches 1/4Approche Pragmatique


Réalisation en « dur » de la fonction ou de l’opérateur

Par exemple sur FPGA ou ASIC

Développement d’applications qui utilisent le plus possible ces opérateurs et fonctions.(gain en consommation)

Étude et définition d’opérateurs et fonctions les plus génériques possibles.

Paramétrisation: les Deux Approches 2/4Approche Pragmatique

9


LayerOperatorFunction

Standard

...

Bluetooth

DECT

IS95

GSM

UMTSFunction

Modulateur

Synchro

Acces

Channel coding

Source coding

HMI

Coarsegrain

Finegrain

FIR cellular

Cordic

FFT

Butterfly

Table

MAC

Basicfunction

Carrier synchro

Mapping

Filter

Correlator

Screen gestion

Physical

Link

Network

Transport

...

Application

Paramétrisation : Les deux approches

Paramétrisation: les Deux Approches 3/4


Paramétrisation: les Deux Approches 4/4•A function can call (one or several) other functions. •A function can use (one or several) operators.•An operator cannot call a function.An operator cannot use a function

If it is a software implementation ( DSP), it is more logical to consider it as a function.If it is an hardware implementation (FPGA), it is more logical to consider it as a operator.

10


FunctionFunction

Channelization

IQ converter

Acces

Channel coding

Source coding

HMI

Basicfunction

Carrier synchro

Mapping

Filter

Correlator

Screen gestion

Function

Digital Front End

Baseband

Cryptage

Compression

Video

Paramétrisation : L’ approche Fonctions communes

Fonctions communes 1/11


Fonctions communes 2/11TETRA

UMTS

Globalstar

GSMIS 95

OS temps réel

FPGADSP

Fonctionfiltrage

FonctionCodageCanal

Fonctioncodage

binaire àsignal

11


Couche physique des terminaux avec l’approche RLR [1]

Approche Réaliste




Fonctions communes: un exempleLe décodage de canal (1)

Le codage de canal est nécessaire pour tous les standards actuels.

Systèmes étudiés GSM, TETRA, TETRAPOL, UTRA;Différents types de code: codes convolutifs, turbo codes, prise en compte de l’entrelacement.

Arnd-Ragnar Rhiemeier, “Benefits and Limits ofParametrized Channel Coding for Software Radio”, 2nd

Karlsruhe Worksop on Software Radios,Germany, march 2002.

12



Le décodage de canal (2)

Schéma généralToutes les « boites » ne sont pas utilisées en même temps. En jaune celles utilisées pour le standard considéré.Lorsque qu’un bloc est inactif il n’est pas exécuté et ne consomme donc pas de temps CPU.Certains blocs sont juste traversés par le flot de données (jaune clair).


Fonctions communes 6/11Le décodage de canal (3)

GSM: CC et CRC (différents suivant les signaux), D^3+D+1 pour TCH/FS

13



Le décodage de canal (4)



Le décodage de canal (5), Pour UTRA/FDD CC, Turbo, CRC

14



Modulateur paramétrable pour GMSK, QPSK, π/4QPSK et dual QPSK pour les interfaces air

suivants: GSM (FDMA/TDMA, GMSK)IS 136 (DAMPS) (FDMA/TDMA, π/4QPSK )UTRA FDD (DS- CDMA, QPSK)

Frierich Jondral, “Parametrization – a Technique for SDR Implementation”, Chapitre 8 “Software Defined Radio : Enabling Technologies, W.Tuttlebee, Wiley, 2002.


Fonctions communes 10/11Autre exemple: Le Mapping (codage binaire à Signal)

Mapping de base : MDA 2MDA 2N : MDA 2 autour de chaque pointMAQ 4 : MDA 2 sur chaque voie I et QMAQ 16 : MAQ 4 sur chaque point d’une MAQ 4MDP8 : MAQ 4 dans deux repères déphasés de π/4Etc….

Autre exemple: décodeur reconfigurable pour IEEE802.11 et 3G

VITURBO: A Reconfigurable Architecture for Future Ubiquitous

Wireless NetworksMani Vaya

Rice University

15




OperatorCoarse

grainfinegrain

FIR cellular

Cordic

FFT

Butterfly

Table

MAC

Paramétrisation : L’ approche Opérateurs Communs

Opérateurs communs 1/3

16


Opérateurs communs :Un Premier exempleL’ opérateur FFT

Presque toutes les fonctions bande de base des récepteurs actuels, lorsqu’elles sont réalisées en numérique peuvent être réalisées dans le domaine fréquentiel en utilisant la FFT.Certaines anciennes fonctions analogiques réalisées maintenant en numérique dans le DFE peuvent aussi utiliser la FFT

J.Palicot, C. Roland, « FFT : a basic function for a reconfigurable receiver » ICT’ 2003 , février 2003



L’opérateur FFT 1/17

∑=

−=∗=∗=L

llkhlxkhkxkxkhky

1)()()()()()()(

)()()()()(1

fHfXlkhlxFTfYL

l=

−= ∑

=

FONCTION FILTRAGE

17



S/P P/S

add λ-LZeros

F F T

F F T -1F F Tadd λ-MZeros

x(n) y(n)

h(n)

L

M λ

λ

λ

FONCTION FILTRAGE



x1(n)x2(n)

x3(n)x4(n) x(n)

y(n)

h(n)

TS3 PM3 TE3TS2 PM2 TE2

TS1 PM1 TE1

FONCTION FILTRAGE,Technique de recouvrement :OVERLAPP - SAVE

18



De nombreux égaliseurs ont été implantés dans le Domaine Fréquentiel à l’aide de FFT

FLMS et UFLMS classiquesÉgaliseurs SIMOCMADFEMIMO

Voir bibliographie de :J.Palicot, C. Roland, « FFT : a basic function for a reconfigurable receiver » ICT’ 2003 , février 2003



EXEMPLE : L’ EGALISEUR UFLMS

µ(k)

F F T

F F T-1

H(k)X(k)

Add N zeros

N Last point

Decision

Complexconjugate

Z -1

Averagepowersignal

-+

µ(k)

19



∑=

+=L

lyc klylckR

1, )()()(

)()()()()(1

, kykclkylckRL

lyc ∗−=−−=∑

=

( ) )()(*)(, fYfCkRFT yc =

FONCTION DE DESETALEMENT



F F T

Hi*(k)

Xi(k)Decision

Complexconjugate

ChannelSounding

Blocksum

Cd*(k)

Xi'(k) di

Pilot interferencecancellation

Data codedespreading

Channelmatching

CORRELATEUR RAKES.Y. Wang, C.C. Huang, “On the architecture and performance of an FFT-based spread-spectrum downlink RAKE receiver”, IEEE Trans. Vehicular Technology, Vol. 50, N°1, January 2001

20



Utilise par principe des transformées orthogonales pour la modulation/démodulationFFT utilisée dans les systèmes « classiques » COFDM pour : DAB, DVB-T, HiperLAN 2, IEEE 802.11,ADSL,…Une FFT 8K points sur un CI:

E. Bidet, D. Castelain, C. Joanblanq and P. Senn, “A Fast Single Chip implementation of 8192 complex point FFT”, IEEE JSSC, vol. 30, n°3, pp 300-305, march 1995.

Modulation/Démodulation Multiporteuses


I/Q downconversion


ADC

I/Q downconversion


I/Q downconversion


FONCTIONS DU DFEVISION CLASSIQUE CANAL PAR CANAL


21


Z -1

x(z) h0(Z N)

Z -1

Z -1

h1(Z N)

h2(Z N)

hN-1(Z N)

N-PointFFT

(W*N)

Y0(k)

Y1(k)

Y2(k)

YN-1(k)

FONCTIONS DU DFEVISION MULTICANAL (STATION DE BASE)



DésentrelacementRécupération de rythme et de porteuseDécodage de canal… Etudes nécessaires

Futures modulations : BFDM, MC-CDMA (candidate pour l’après 3G)Mise en œuvre de bancs de filtre

bien adapté à l’utilisation de l’opérateur FFT


22



Butterfly

FIR

FFT

Equalization

Filter

bank

MACTable⊕⊗Z -1




Multichannel OFDM

channel

channel

Filter

bank

FFTCICCordic

Butterfly

FIR

MACTable⊕⊗Z-1


23



Butterf ly

FIR

FFT

Equalization

Filterbank

Butterf ly

MACTable

FFT

⊕⊗

Filterbank

Multichannel OFDM

channelchannel

Filterbank

FFTCICCordic

Butter

FIR

MATable⊕⊗Z-1

Multichannel OFDMEqualization

MACTable⊕⊗Z-1



Fixedpart

Reconfigurablepart

Reconfi-gurable

part

1 stage 1 stage

log 2(i) st. log 2(i) stage

log2(i)+1 stage

log2(n) stage

log 2(i)+1

log 2(n) st.

n i+1 1i 4 3 21i 4 3 2

Butterfly : i = 2 m with i<n


24


FFT

Fonction desélection de

canal

Detectionmulti

utilisateurdemodulationmultiporteuse

Estimationde canal

Egalisation

Fonctionfiltrage

Decorrelatorfunction

RAKEfunction

Fonctioncodage

binaire àsignal

??

Récupérationporteuse et

rythme

FonctionCodageCanal

Désentrelacement

IQ DownConversion

function

Sample RateConversion

function

?

??

??

??

??



FFT

Optimisation globale :L’opérateur FFT n’est pas forcément optimal localement (ex: filtrage

FIR court),Mais l’opérateur existe obligatoirement pour la démodulation

multiporteuses

Intérêt d’optimiser son utilisation

Reste à quantifier le gain obtenu par cette optimisation globale


25


Opérateurs communs :Un Second exempleLes opérateurs MULDIV et DIVMUL

Codage et Décodage de canalFonctions les plus étudiées dans la littératureProposition de fonctions communes( Karlsruhe)Étudier un opérateur gros grain pour le codage

Stage de DEA de l’université de Rennes: « Intérêt des techniques de paramétrisation pour des architectures Radio Logicielle reconfigurables »

Mohamed GHOZZI, Encadrant : Yves LOUËT



Codage Canal• GSM:Codage cyclique

Codage convolutif π

Codage convolutif π

• Hiperlan:

• UMTS:

Turbo codage

Codage convolutif

• RL:

Codage cyclique

Codage convol. πTurbo

codage

Chaîne d’émission

L’opérateur MULDIV 1/11

26


Décodage Canal• GSM:Décodage cyclique

Décodage convolutifπ -1

Décodage convolutifπ -1

• Hiperlan:

• UMTS:Décodage convolutif

Turbo décodage

• RL:

Décodage cyclique

Déodage convol.π-1 Turbo

décod.

Chaîne de réception



Codage CycliqueCodes cycliques binaire utilisé uniquement en détection

Code FIRE (GSM) utilisé en détection-correction

Codes Reed-Solomon en détection-correction

Opérateur commun

Z -1 Z -1 Z -1 Z -1

-g r-1

x(n)

y(n)

-g 0 -g 1 -g 2 -g 3

h r-1h 0 h 1 h 2 h 3 h r

Circuit multiplicateur-diviseur rrr

rr

xxgxgxggxhxhxhh

xGxHxF

+⋅++⋅+⋅+⋅++⋅+⋅+

== −−

11

2210

2210

)()()(

K

K


27


Codes Cycliques 1/5Opérateur mul_div

Codage cyclique Systématique ))(

)(()()(xg

xMxrestexMxxCkn

kn−

− +=

mul_div

[g]

[x]

[h]

[s] )][

][][(][g

hxrestes ⋅=

b0 b1 b2

g1 g2 g3

bn-k-1

gn-k-1

Gate

Message xn-kM(x) Mot de code c(x)

mul_div

M

[g]

C [0, …,0, hn-k=1,0, …, 0]



Code cyclique Systématique/Détection

Calcul du Syndrome )()().()( xsxgxaxr +=

s0 s1 s2

g1 g2 g3

sn-k-1

gn-k-1

Gate

Message reçu

r(x)

mul_div

r

[g]

[h0=1,0, …, 0]

S

L’opérateur MULDIV 5/11Codes Cycliques 2/5

28


g2g1 g3 g4 g5 g6

Z-1

g7

h2h1h3 h4 h5 h6 h7 h8

g0

h0

x(n)

y(n)

Mul_div : Applications

Z-1 Z-1Z-1Z-1Z-1Z-1Z-1

8-depth register needed

• Reconfiguration example : CRC8 to CRC3


h8

Z-1 Z-1 Z-1 Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

h2h1h3 h4 h5 h6 h7

Z-1

h0

0 0 0

Message Xn-kM(x)

Switch

Switc

h C(x)

• Reconfiguration example : CRC8 to CRC3 du GSM


29


h3

Z-1 Z-1Z-1

h0

0

Message Xn-kM(x)

Z-1 Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

h1 h2

Switc

h

Switch

C(x)

• Reconfiguration example : CRC8 to CRC3



Mul_div : Implementations

Z-1

MDI

•Hard Wired Pattern Unit: MDI

•More flexibility •Increased Activity

MDI : Mul_div Parametrable Pattern in 1 Clock Cycle

hi

gi

LUT

gi

LUT

hi

MDI MDI MDI MDI

MDIV

La plupart des codes cycliques sont X de 4

Utilisation itérative ou pipeline de l’opérateur

30


Standards Nombre d'opérateurs

802.11g GCRC16(D)=D16+D12+D5+1

16 SR, 3 XOR

GSM(1a)gCRC3(D)=D3+D+1(1b)gCRC8(D)=D8+D4+D3+D2+1(2)gCRC6 (D)=D6+D5+D3+ D2+D +1;(3)gCRC40(D)=(D23+1)(D17+D3+1)

(1) 3 SR, 2XOR(1b) 8 SR, 4XOR(2) 6 SR, 5 XOR(3) 40 SR, 5XOR

UMTS(1) gCRC24(D)=D24+D23+D6+D5+D+1(2) gCRC16(D)=D16+D12+D5+1(3)gCRC12(D)=D12+D12+D5+1;(4) gCRC8 (D)=D8+D7 +D4 +D3 +D+1

(1) 24 SR, 5XOR(2) 16 SR, 3 XOR(3) 12 SR, 3 XOR(4) 8 SR, 5 XOR

Total opérateurs tri-standards 168

Avec MDIV

4 MDIV, 1 XOR

(1) 3 MDI, 1 XOR(1b) 2 MDIV, 1 XOR(2) 1 MDIV, 2 MDI, 1 XOR(3) 10 MDIV, 1 XOR

1) 6 MDIV, 1 XOR(1b) 4 MDIV, 1 XOR(2) 3 MDIV, 1 XOR(3) 4 MDIV, 1 XOR

48


Code Reed-Solomon

))(

)(()()(xg

xMxrestexMxxCkn

kn−

− +=

rr

rr

xgxgxggxhxhxhh

xGxHxT

][][][][][][][][

)()()( 2

210

2210

++++++++

==K

K

x(n)

y(n)

[-g0] [-g1] [-g2] [-g3]

[hr][hr-1][h3] [h2] [h1] [h0]

Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

8bits

8bits

[-gr-1]

mul_div

[g]

[x]

[h]

[s] _8


31


Code Reed-Solomon :Opérateur mul_div_8

Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-g1

x(n)

y(n)

-gN -gN-1 -gN-2 -gN-3

h1hN hN-1 hN-2 hN-3 h0

Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-g1

x(n)

y(n)

-gN -gN-1 -gN-2 -gN-3


Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-g1

x(n)

y(n)

-gN -gN-1 -gN-2 -gN-3


Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-g1

x(n)

y(n)

-gN -gN-1 -gN-2 -gN-3


Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-g1

x(n)

y(n)

-gN -gN-1 -gN-2 -gN-3


Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-g1

x(n)

y(n)

-gN -gN-1 -gN-2 -gN-3


Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-g1

x(n)

y(n)

-gN -gN-1 -gN-2 -gN-3


Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-g1

x(n)

y(n)

-gN -gN-1 -gN-2 -gN-3

h1hN hN-1 hN-2 hN-3 h0X(n)

y(n)

Connexion en parallèle de 8 opérateurs mul_div



Codes convolutifs Non Systématiques (CNS)

Codes convolutifsSystématiques récursifs

(CSR)

Les Turbo-Codes

Convolutifs

L’opérateur MULDIV 9/11Codes Convolutifs et turbo codage 1/2

32


Codes Convolutifs et turbo codage 2/2Code Convolutif et turbo codage

Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

hNhN-1h3h2 h1 h0

-gN-1-g3-g2 -g1

x(n)

y(n)

-gN

div_mul

[g]

[x]

[h]

[y]

Circuit diviseur-multiplicateur Opérateur div_mul



Opérateur IIR

Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

hN hN-1 h3h2h1h0

-gN-1 -g3-g2-g1

x(n)

y(n)

-gN

Circuit multiplicateur-diviseur

Z-1 Z-1 Z-1 Z-1

-gr-1

x(n)

y(n)

-g0 -g1 -g2 -g3

hr-1h0 h1 h2 h3 hr

Circuit diviseur-multiplicateur

Filtre IIR NN

NN

zgzgzgzhzhzhhzF −−−

−−−

⋅++⋅+⋅+⋅++⋅+⋅+

=K

K2

21

1

22

110

1)(


33


Conclusions MULDIV

L’utilisation de l’opérateur IIR peut s’étendre à d’autres fonctions de la chaîne de Réception

Entrelacement/désentrelacement : question ouverte

Domaine Fréquentiel : opérateur FFT, …

Décodage Convolutif/Turbo Décodage : opérateur commun ?


CONCLUSION

Paramétrisation : voie très prometteuseAidera le partitionnement entre différents types de composants (FPGA, DSP…)Optimisation des ressources

Peu d’études Pas assez de résultats pour conclure sur l’intérêt de cette approcheEfforts importants sur ce sujet par la communauté du domaine

Documents

param.trisation 27 janvier 2005 JP...MIMO Voir bibliographie de : J.Palicot, C. Roland, « FFT : a basic function for a reconfigurable receiver » ICT’ 2003 , février 2003 séminaire