Réduction du PAPR du système OFDM-MIMO en 4G · IV.7.1 Application de l'algorithme proposé sur un système MIMO-OFDM 69 IV.7.2. ... WMAN Wireless Metropolitan Area Network x-DSL

MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE FERHAT ABBAS SETIF 1-

UFAS (ALGERIE)

MEMOIRE

Prsent la facult de Technologie

Dpartement dElectronique

Pour lobtention du Diplme de

MAGISTER

Option : Communication

Par

Mr. BOUAZIZ Samir

THEME

Rduction du PAPR du systme OFDM-MIMO en 4G

Soutenu le 07/01/2015 devant la commission dexamen :

Mr. A.KHELLAF Prof luniversit de Stif -1- Prsident

Mr. D. SLIMANI MCCA luniversit de Stif -1- Rapporteur

Mr. F.DJAHLI Prof luniversit de Stif -1- Examinateur

Mr. K.BENMAHAMED Prof luniversit de Stif -1- Examinateur

Sommaire

Table des matires......................................................................................................................... i

Table des figures........................................................................................................................... ii

Liste des symboles et abrviation............................................................................................. iii

Introduction gnrale ........................................................................................................ 1

Chapitre I : Technologies des rseaux mobiles

I.1 Introduction 4

I.2 Historique 4

I.3 volution des Rseaux Mobiles 5

I.4 Dfinition de la 4me gnration des rseaux mobiles 7

I.5 Technologies 4G 8

I.5.1 Rseau WLAN (IEEE 802.11) 8

I.5.2 Rseau WiMAX 9

I.5.2.1 Introduction 9

I.5.2.2 IEEE 802.16m 10

I.5.3 LUMB 10

I.5.4 Long Term Evolution (LTE) 11

I.5.4.1 Introduction 11

I.5.4.2 Accs radio LTE 12

I.6 Lobjectif de la 4G 12

I.7 Conclusion 12

Chapitre II : La technique MIMO

II.1 Introduction 13

II.2 Phnomnes physiques caractristiques d'un canal de propagation 13

II. 3 Notions de diversit 15

II. 3.1 Diversit temporelle 15

II.3 .2 Diversit frquentielle 16

II. 3.3 Diversit spatiale 17

II.4 Systme MIMO 18

II. 5 Les principes du MIMO 18

II.6 Modlisation d'un canal MIMO 21

II. 7 Le codage spatio-temporel 22

II. 8 Construction du Code spatio-temporel en bloc 23

II.9. Codage spatio-temporel dans Le cas MISO 24

II. 10. Codage spatio-temporel dans Le cas MIMO 26

II. 11 Analyse de performance 28

II.11. Capacits 29

II.11.1 Systme SISO 29

II.11. 2 Systme SIMO 30

II.11.3 Systme MIMO 30

II. Conclusion 32

Chapitre III : Association MIMO-OFDM

III.1 Introduction 33

III. 2 La modulation OFDM 33

III. 3 Historique 34

III. 4 Principe de la modulation OFDM 34

III. 5 Ralisation numrique des oprations de modulation et de dmodulation 36

III. 6 Proprit dorthogonalit 38

III. 6.1 Notion mathmatique 39

III. 6.2 Orthogonalit des sous-porteuses en OFDM 39

III.7 Interfrences entre porteuses et symboles 40

III.8 Intervalle de garde 42

III.9 Avantages et inconvnients de lOFDM 43

III.10 Association MIMO-OFDM 44

III.11 Principe de lassociation MIMO et OFDM 44

III.12 Description signal MIMO et OFDM 46

III. 12 Conclusion 47

Chapitre IV : Rduction du facteur de crte PAPR

IV.1 Introduction 49

IV.2 Le PAPR des systmes OFDM 49

IV .3 Approximation de la distribution 51

IV.3. 1 Cas du PAPR des signaux OFDM sur-chantillonn 52

IV .4 Techniques de rduction du PAPR 54

IV. 5 Mthode de PTS (Partial Transmit Sequence) 55

IV.5.1 Introduction: 55

IV.5.2 Description de la mthode 55

IV .5.3 Description et performances 57

IV .6 Rduction du PAPR dans un contexte MIMO-OFDM 61

IV.6.1 Description 61

IV. 6.2 Application de la mthode PTS en MIMO-OFDM 62

IV. 6.3 Cooprative et Alternative PTS (C-A-PTS) 62

IV.6.3.1 Alternative PTS (A-PTS) 62

IV.6.3.2 Cooprative PTS (C-PTS) 63

IV.6.3.3 Description de l'approche C-A-PTS 63

IV.6.4 Rsultats et simulation 66

IV.7 Approche propose 68

IV.7.1 Application de l'algorithme propos sur un systme MIMO-OFDM 69

IV.7.2. Rsultats et simulation 72

IV.8 Comparaison des rsultats 76

IV.9 Conclusion 77

Conclusion gnrale 78

Bibliographie 80

Ddicace

A

Mes parents qui je dois tout et dont

laffection, le dvouement et les

encouragements ont t pour moi le

meilleur gage de russite.

Mes frres et surs

Ma famille

Mes amis

Je ddie ce mmoire

Quils trouvent dans ce travail le

tmoignage de ma profonde gratitude.

Remerciement

Ce travail de recherche sest droul au sein du laboratoire du

Docteur: D. SLIMANI la Facult de la technologie, Universit de

Stif.

Jadresse mes remerciement, en premier lieu, mon bon dieu pour

la volont, la sant, le courage et la patience qui mavoir donn pour

mener ce travail terme.

Je voudrais exprimer, par ce modeste travail, ma gratitude, ma

reconnaissance, ma considration et mes grands remerciements

Monsieur D. SLIMANI, Maitre de Confrence l'Universit de Stif,

davoir propos, suivi et corrig ce travail,, je vous remercie

chaleureusement pour le savoir que vous mavez enseign.

Je remercie trs sincrement Monsieur A. KHELLAF, Professeur

l'Universit de Stif, de mavoir fait lhonneur daccepter de prsider le

jury de cette thse.

Je remercie vivement Monsieur F. DJAHLI, Professeur

l'Universit de Stif, et Monsieur K. BENMHAMED, Professeur

l'Universit de Stif, d'avoir accept dexaminer et de juger ce travail.

Je remercie chaleureusement mes parents qui mont soutenu tout

au long de mes tudes, parfois au prix de quelques sacrifices, et sans

qui je naurais pas pu atteindre ce niveau.

Enfin, jexprime ma profonde reconnaissance mes frres et

surs, ma famille, mes amis et tous ceux qui ont contribu raliser ce

travail

I

Liste des acronymes et abrviations

1G First Generation "Premire gnration des rseaux mobile"

2G Second Generation "Deuxime gnration des rseaux mobile"

3G Third Generation "Troisime gnration des rseaux mobile"

4G Forth Generation "Quatrime gnration des rseaux mobile"

1xEV-DO Evolution-Data Optimized

3GPP 3rd Generation Partnership Project

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AGW Access Gateway

AP Access Point

A-PTS Alternative Partial Transmit Sequences

AT Access Terminal

Bc Bande de Cohrence

BER Bit Error Rate

BS Base Station

BSS Basic Service Set

C-A-PTS Cooperative and Alternative Partial Transmit Sequences

CCDF Complementary Cumulative Distribution Function

CDMA Code Division Multiple Access

CDMA2000 Code Division Multiple Access 2000

C-PTS Cooperative Partial Transmit Sequences

DAB Digital Audio Broadcasting

dB Dcibels

DFT Discrete Fourier Tranform

DVB Digital Video Broadcasting

EPS Evolved Packet System

ESS Extended Service Set

FDD Frequency Division Duplex

FDM Frequency Division Multiplexing

II

FFT Fast Fourier Transform

FTTH Fiber To The Home

Gb/s Giga Bits per Second

GHz Giga Hertz

HiperLAN High Performance Radio Local Area Network

ICI Inter Carriers Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Tranform

IEEE Institut of Elecrical and Electronic Engineers

IES Interferences Entre Symboles

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IPTV Internet Protocol Television

ISI Inter Symbol Interference

Kb/s Kilo Bits per Second

LAN Local Area Network

LTE Long Term Evolution

MAQ Modulation d'Amplitude en Quadrature

MAN Metropolitan Area Network

Mb/s Mega Bits per Second

MIMO Multiple- Input Multiple- Output

MIMO-OFDM Multiple- Input Multiple- Output Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

MISO Multiple-Input Single-Output

MRC Maximum Ratio Combiner

NLOS Non Line Of Sight

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PAPR Peak to Average Power Ratio

PDA Personal Digital Assistant

PTS Partial Transmit Sequences

QoS Quality of Service

QPSK Quaternary Phase Shift Keying

III

RL Reverse Link

RRM Radio Resource Management

RSB Rapport Signal sur Bruit

Rx Receiver

SAE System Architecture Evolution

SC-FDMA Single Carrier - Frequency Division Multiple Access

SDMA Space Division Multiple Access

SI Side Information

SIMO Single-Input Multiple -Output

SISO Single-Input Single-Output

SLM Select Mapping

SNR Signal to Noise Ratio

SRNC Session Reference Network Controller

STBC Space Time Bloc Coding

Tc Temps de Cohrence

TDM Time Division Multiplexing

TFDI Transforme de Fourier Discrte Inverse

Tx Transmitter

UIT Union Internationale des Tlcommunications

UMB Ultra Mobile Broadband

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

VoIP Voice over Internet Protocol

WAN Wide Area Network

WIFI Wireless Fidelity

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

x-DSL x-Digital Subscriber Line

Liste des Figures

Figure I.1 : volution du nombre dabonns mobiles travers le monde ............................ 5

Figure I.2 : Migration vers la 4G .......................................................................................... 6

Figure I.3 : Architecture des rseaux mobiles de La 4G...................................................... 7

Figure I.4 : Les diffrentes technologies daccs sans fil pour lutilisateur 4G.................... 8

Figure I.5 : Mode Infrastructure du WIFI............................................................................. 9

Figure I.6 : Architecture de l'UMB....................................................................................... 11

Figure II.1: Puissance reue en fonction de la distance........................................................ 15

Figure II.2 : Diversit temporelle.......................................................................................... 16

Figure II.3 : Diversit frquentielle....................................................................................... 16

Figure II.4 : Systme de transmission MIMO avec Nt metteurs et Nr rcepteurs.............. 18

Figure II.5 : Schmas reprsentatifs du SISO, MISO, SIMO et MIMO............................ 20

Figure II.6 : Le Systme MIMO............................................................................................ 21

Figure II.7 : Principe codage espace temps D'Alamouti....................................................... 24

Figure II.8 : Schma d'un systme MISO 2x1avec codage d'alamouti................................. 24

Figure II.9 : Schma d'un systme MIMO 2x2 avec codage Alamouti................................ 27

Figure II.10 : Comparaison performance entre systme MIMO Alamouti et MRC............. 29

Figure II.11 : Comparaison des capacits ergodiques pour diffrents systmes: SISO,

SIMO et MIMO.............................................................................................. 31

Figure III.1 : Schma de principe du modulateur OFDM..................................................... 36

Figure III.2 : Allure de lensemble des spectres des porteuses dun symbole OFDM......... 36

Figure III.3 : Modulateur OFDM numrique........................................................................ 38

Figure III.4 : Dmodulateur OFDM numrique.................................................................. 38

Figure III.5 : Spectre en frquence dune trame OFDM : reprsentation des sous-

porteuses constituantes, N = 4, T = 1 s ........................................................... 40

Figure III.6 : Propagation des trames OFDM sans intervalle de garde : retards,

trajets multiples et interfrences...................................................................... 41

Figure III.7 : Insertion dun intervalle de garde en temps en OFDM................................... 42

Figure III.8 : Schma Bloc d'un systme OFDM.................................................................. 43

Figure III.9 : Principe dun systme MIMO-OFDM............................................................ 45

Figure III.10 : Comparaison performances systme MIMO-OFDM et SISO-OFDM......... 47

Figure IV.1 : Signal OFDM dans le domaine temporel........................................................ 50

Figure IV.2 : CCDF de signaux OFDM avec diffrents nombres de sous-porteuses (N)..... 52

Figure IV.3 : Fonction de rpartition complmentaire du PAPR d'un signal OFDM

N=256 porteuses pour diffrentes valeurs de facteurs de sur-chantillonnage 53

Figure IV.4 : Effet du sur-chantillonnage............................................................................ 53

Figure IV.5: Comparaison PTS-SLM.................................................................................... 54

Figure IV.6 : Schma bloc de la mthode PTS..................................................................... 55

Figure IV.7 : PTS avec diffrent nombre de sous-blocs....................................................... 57

Figure IV.8 : Un exemple de rpartition adjacente en PTS de 8 sous-porteuses en 4 sous-

blocs................................................................................................................ 59

Figure IV.9 : Illustration des diffrentes partitions des sous blocs selon l'approche PTS:

(a) partition adjacente, (b) partition Pseudo-alatoire, (c) partition entrelace 60

Figure IV.10 : Schma bloc de C-A-PTS avec 2 antennes l'mission................................ 65

Figure IV.11 : les relations entre les deux coefficients de pondration optimum des 2

antennes........................................................................................................ 66

Figure IV.12 : Performances du PAPR pour les dfrentes approches PTS........................ 67

Figure IV.13 : Influence de C-A-PTS sur les performances du systme.............................. 68

Figure IV.14 : Schma bloc de la mthode propose pour un systme SISO-OFDM.......... 69

Figure IV.15 : Schma bloc de la mthode propose pour un systme MIMO-OFDM....... 70

Figure IV.16 : Rduction du PAPR en utilisant la mthode propose.................................. 72

Figure IV.17 : Influence de la mthode propose sur les performances du systme............ 73

Figure IV.18 : Comparaison mthode propose avec A-PTS, C-PTS et C-A-PTS.............. 74

Figure IV.19 : Comparaison mthode propose avec C-A-PTS........................................... 74

Figure IV.20 : Comparaison BER/SNR pour la mthode propose avec C-A-PTS............. 75

Figure IV.21 : Comparaison BER/Eb_N0 pour la mthode propose avec C-A-PTS......... 75

Introduction gnrale

1

Introduction gnrale

Le monde des communications est prsentement un carrefour trs important de son

volution. C'est particulirement vrai en ce qui concerne les communications sans fil, dont

l'importance ne cesse de s'accrotre trs rapidement cause des nombreuses avances dans le

domaine, et de leur accessibilit au grand public. De plus, grce la miniaturisation des

technologies, leur performance a augment, et continuera d'augmenter un rythme effrn.

Les secteurs de la communication sans fil et de la communication mobile constituent en ce sens

des dfis importants. Au fil du temps, plusieurs gnrations se sont succd afin d'amliorer le

dbit et la capacit tout en maintenant une qualit de service apprciable. Le monde sans fil est

ainsi pass par la modulation analogique avant d'adopter dfinitivement la modulation

numrique. L'volution dans ce domaine se fait trs rapidement: une nouvelle gnration voit

peine le jour que des recherches sont faites sur la prochaine. La raison en est fort simple:

l'augmentation du nombre d'utilisateurs de services sans-fil est presque exponentielle, et chacun

de ces utilisateurs demande toujours plus de bande passante. En effet, l'origine, on se

contentait de transmettre le strict ncessaire pour qu'il y ait communication, c'est- dire la voix.

Toutefois maintenant, on transmet maintenant des donnes rseau, de la voix, l'internet, des

fichiers audio, vido... Nous voyons donc que l'volution de ce domaine n'est pas prte de

s'arrter, ni mme de ralentir.

Au cours des dernires annes, des systmes utilisant la modulation OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing [1], [2]) ont t dvelopps et perfectionns. Cette technique

est aujourdhui implmente dans les standards IEEE 802.11n, IEEE 802.16e ou WiMAX et

bien sr le LTE et LTE-Advanced. Les systmes OFDM sont particulirement apprcis parce

qu'ils rsistent bien aux dformations causes par le canal.

l'OFDM, nous dsirons jumeler les avantages des systmes plusieurs antennes. Nous

appelons ces systmes MIMO (multi-input multi-output) [3], [4], et ils sont tudis de plus en

plus. Il s'agit d'utiliser plusieurs antennes l'mission et la rception, afin de maximiser le

nombre de canaux diffrents, ce qui permettrait de diminuer le taux d'erreurs ou d'augmenter le

dbit du transfert de donnes, selon la configuration choisie.

Comme toutes les autres techniques, la modulation multi-porteuses prsente des avantages ainsi

que des inconvnients. Les avantages concernent principalement la robustesse du signal vis--

vis du canal multi-trajet avec vanouissement et l'encombrement spectral optimal.

Introduction gnrale

2

Un des inconvnients est reprsent par les fortes fluctuations en amplitude de l'enveloppe du

signal modul et donc par des variations importantes en puissance instantane. Le Peak-to-

Average Power Ratio (PAPR) qui prend en compte ces variations en puissances, est un

paramtre indispensable dans la caractrisation des modulations enveloppe.

Ce mmoire est divis en quatre chapitres:

Le premier chapitre prsente le fondement thorique des rseaux mobiles et plus

prcisment le concept de la nouvelle gnration attendue dans le domaine des tlcoms "4G".

Nous dcrirons quelques technologies de communication mobile actuelles candidates cette

nouvelle gnration comme le WLAN (Wireless Local Area Network), WiMAX mobile, le

UMB (Ultra Mobile Broadband) et le LTE (Long Term Evolution).

Le deuxime chapitre est consacr l'tude des techniques de transmission multi-

antennaires MIMO (Multiple Input Multiple Output) avec ces diffrentes configurations SISO,

SIMO, MISO et MIMO. On va aborder plus particulirement les techniques de diversit soit en

rception o en mission en rappelons le codage spatio-temporel d'Alamouti, une comparaison

sera faite entre elles. Finalement, la capacit des systmes multi-antennaires est tudie afin de

dterminer les dbits thoriques quon peut attendre de ces systmes.

Ce chapitre donne donc les bases pour la description d'un systme MIMO-OFDM qui sera

prsent dans le chapitre suivant ainsi que la problmatique traite dans le dernier chapitre de

cette thse.

Le 3me chapitre traite l'association de la technique MIMO avec la technique de

modulation multi-porteuses OFDM. Nous commenons par une prsentation dtaille de la

modulation multi-porteuses OFDM. Nous abordons son principe, son historique ainsi que sa

description gnrale avec ses avantages et ses inconvnients.

Nous parlons d'un systme de transmission bas sur la modulation OFDM et on explique

comment l'OFDM combat les interfrences ISI/ICI dans un canal trajets multiples. Ensuite

nous dcrirons la combinaison MIMO-OFDM.

Les techniques bases sur lassociation des modulations porteuses multiples et de MIMO sont

aujourdhui, reconnues comme des solutions fort potentiel pour les futurs systmes de

radiocommunication. La combinaison MIMO-OFDM permet dallier les avantages des deux

mthodes.

Introduction gnrale

3

Le 4me chapitre est consacr l'tude de la rduction du facteur de crte PAPR dans

un contexte OFDM et MIMO-OFDM. Un aperu sur l'ensemble des systmes de rduction de

PAPR est d'abord donn. Par la suite, on fera une tude approfondie de l'approche Partial

Transmit Sequence (PTS) en tant que solution possible ce problme. Cette mthode a connu

plusieurs amliorations afin de rduire sa complexit. Nous avons tudi la cooprative et

alternative PTS (C-A-PTS), ainsi que nous avons propos un nouvel algorithme pour la

rduction du PAPR dans un systme MIMO-OFDM. Des rsultats de simulation seront

respectivement prsents.

Enfin une conclusion gnrale termine ce mmoire et ainsi que des futures

perspectives dans ce domaine.

Chapitre I Technologies des rseaux mobiles de la 4G

4

I. 1 Introduction

Toujours en cours de recherche et de standardisation, le rseau 4G (4me gnration) est

propos comme future gnration des rseaux mobiles aprs la 3G (3me gnration). Ce rseau

a galement pour objectif dabolir les frontires de la mobilit. Avec le rseau 4G, un

utilisateur pourra se connecter o quil se trouve : lintrieur des btiments avec les

technologies Bluetooth, UWB ou Wifi, l'extrieur (dans la rue et les lieux publics) avec

lUMTS ou le WiMAX En gnral, le passage dun rseau lautre deviendra transparent

pour lutilisateur. Les dbits supposs sont entre 20 et 100 Mb/s longue porte et en situation

de mobilit, et 1 Gb/s courte porte vers des stations fixes. Par dfinition, la 4G assure la

convergence de la 3G avec les rseaux de communication radio fonds sur le protocole IP. La

connexion devra tre possible quel que soit le mode de couverture [5].

Dans ce chapitre nous aborderons les notions gnrales des rseaux mobiles et plus prcisment

celles de la future gnration la 4G.

I. 2 Historique

En lespace dune vingtaine dannes, lusage des services de communications mobiles

a connu un essor remarquable. La figure suivante illustre lvolution du nombre dabonns

mobiles au regard de la population mondiale : on compte fin 2011 prs de 6 milliards

dabonns travers le monde, soit 87 % de la population mondiale [6]. Cest vritablement un

nouveau secteur de lindustrie mondiale qui sest cr, regroupant notamment constructeurs de

circuits lectroniques, constructeurs de terminaux mobiles, constructeurs dinfrastructures de

rseaux, dveloppeurs dapplications et de services et oprateurs de rseaux mobiles.

Conues lorigine pour offrir un service de tlphonie mobile uniquement, les technologies de

communications radio mobiles ont considrablement volu et permettent dsormais une

connexion haut-dbit en situation de mobilit. Les rseaux mobiles compltent ainsi les rseaux

daccs rsidentiels tels que x-DSL (x-Digital Subscriber Line) et FTTH (Fiber To The Home)

pour laccs haut-dbit Internet. Les utilisateurs de terminaux mobiles peuvent naviguer sur le

Web, utiliser leurs applications et services prfrs, consulter leurs courriels, tlcharger des

vidos, de la musique, regarder la tlvision, partager des photos, tout cela sur le mme

terminal et en mobilit. Ainsi, cette dernire nest plus un frein laccs aux contenus

numriques. Dans certains pays dpourvus de rseau fixe fiable et dvelopp, les rseaux

mobiles se substituent mme aux rseaux rsidentiels et sont lunique moyen daccder

Internet.


5

Figure I.1: volution du nombre dabonns mobiles travers le monde

I. 3 volution des rseaux mobiles

Lhistoire des rseaux mobiles est relativement rcente, le premier rseau mis en service

tait dj bas sur le concept de motif cellulaire. Cette technique est une composante

technologique cl des rseaux mobiles car elle permet de rutiliser les ressources du rseau

daccs radio sur plusieurs zones gographiques donnes appeles cellules. une cellule est

ainsi associe une ressource radio (une frquence, un code) qui ne pourra tre rutilise que

par une cellule situe suffisamment loin afin dviter tout conflit intercellulaire dans

lutilisation de la ressource. Conceptuellement, si une cellule permet dcouler un certain

nombre dappels simultans, le nombre total dappels pouvant tre supports par le rseau peut

tre contrl en dimensionnant les cellules selon des tailles plus ou moins importantes. Ainsi, la

taille dune cellule situe en zone urbaine est habituellement infrieure celle dune cellule

situe en zone rurale. Les rseaux mobiles sont tous bass sur ce concept de cellule, cest

pourquoi ils sont aussi appels rseaux cellulaires.

Lhistoire des rseaux mobiles est jalonne par trois tapes principales, auxquelles on

donne couramment le nom de gnration. On parle de la premire, deuxime, troisime,

quatrime et cinquime gnration de rseaux mobiles, gnralement abrges respectivement

en 1G, 2G ,3G ,4G et 5G(en cours d'tude). Ces cinq gnrations diffrent principalement par

les techniques mises en uvre pour accder la ressource radio. Lvolution de ces techniques

est guide par la volont daccrotre la capacit ainsi que les dbits offerts par le systme dans


6

une bande de frquences restreinte. En effet, les frquences sont des ressources trs rares car

convoites par de multiples applications (tlvision, radio, faisceaux hertziens, liaisons

satellites, rseaux privs, communications militaires, etc.).

Figure I.2: Migration vers la 4G

La premire gnration des systmes de communication mobiles sans fil 1G a t

introduite dans les annes 70 et la deuxime gnration 2G dans les annes 80 ont t

principalement destine la transmission de la voix. Les premiers systmes avaient utilis la

modulation de frquence analogique alors que la seconde avait utilis des techniques de

communication numrique avec multiplexage temporel (TDM), multiplexage en frquence

(FDM) ou le Code Division Multiple Access (CDMA). Les systmes sans fil de troisime

gnration qui sont juste introduites dans les marchs mondiaux offrent des dbits de donnes

beaucoup plus levs, et permet des amliorations significatives par rapport aux systmes 2G.

Les systmes sans fil 3G ont t proposes pour fournir des services vocaux, de

radiomessagerie et fournir des interactifs multimdias, y compris l'accs linternet, la

tlconfrence et d'autres services [7].

Toutefois, ces systmes offrent un rseau (WAN) large de couverture tendue, de dbit de

384 kbps 2 Mbps. Ainsi la prestation de services large bande serait l'un des principaux

objectifs des systmes sans fil 4G.


7

Larchitecture des rseaux de mobiles de la 4G sont illustres ci-dessous :

I. 4 Dfinition de la 4me gnration des rseaux mobiles

La dfinition de la 4G a volu comme une nouvelle vague defforts de donnes de

commercialisation des mobiles qui se dplace le terme dans l'il du public diffrencier les

marques. Lunion internationale des tlcommunications (UIT), qui supervise le

dveloppement de la plupart des normes de donnes cellulaires, a rcemment publi une

dclaration soulignant que la 4G terme n'est pas dfini. En rponse, les oprateurs mobiles avec

des architectures 3G avancs a commenc la commercialisation des services 4G. De toute

vidence, les ingnieurs ne veulent pas du commerant d'usurper la vision d'une amlioration

d'un ordre de grandeur chaque gnration d'architectures cellulaires, encore, les commerants

veulent tirer parti de la dernire tendance, tandis que cela semble encore sotrique [8], les

diffrentes technologies sans fil sont reprsentes, dans la figure suivante :

Figure I.3: Architecture des rseaux mobiles de la 4G.


8

I. 5 Technologies 4G

I. 5.1 Rseau WLAN (IEEE 802.11)

IEEE 802.11 [9] ou WIFI est un standard international dcrivant les caractristiques du

rseau LAN sans fil (WLAN). Il connecte des ordinateurs portables, des quipements de

bureau, des quipements personnels (PDA) en crant un rseau sans fil couvrant un rayon de

dizaines de mtres et tolrant une mobilit trs petite vitesse.

IEEE 802.11 dfinit deux technologies, le mode infrastructure divis en deux architectures :

Larchitecture BSS (Basic Service Set) : compose dune seule cellule couverte par un

seul point daccs (AP) qui est lintermdiaire permettant lchange dinformations

entre plusieurs stations.

Larchitecture ESS (Extended Service Set) : compose de plusieurs points daccs

connects par un systme de distribution, et formant un large rseau compos de

plusieurs cellules.

Figure I.4: Les diffrentes technologies daccs sans fil pour lutilisateur 4G.

MBS 60

MBS 40

BLR

WMAN Quasi cellulaireWLAN

Wi-Fi

IEEE 802.11a

IEEE 802.11g

Hiper LAN2

EDGE

WWAN

UMTS

GPRS

Satellite

S-UMTS

DVB-S

Broadcasting

DVB-T

DAB

Bluetooth

WPAN

Utilisateur


9

Le deuxime mode dfini par le WIFI est le mode Ad-Hoc qui permet lchange direct des

informations entre les stations sans obligation de passage par le point daccs.

Larchitecture du mode infrastructure est illustre dans la figure ci-dessous :

Figure I.5: Mode Infrastructure du WIFI

I.5.2 Rseau WiMAX

I.5.2.1 Introduction

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) (802.16-2004) ainsi

que le WiMAX mobile (802.16e) [10], [11] est une solution pour des rseaux MAN sans fil.

En utilisant un accs WiMAX, on peut atteindre thoriquement un dbit jusqu 70 Mb/s avec

une distance de 50 km. Le WiMAX couvre des zones gographiques importantes sans la

contrainte d'installation dinfrastructures coteuses pour faire parvenir la connexion jusqu'

l'utilisateur. Le premier lment de l'architecture WMAN est la station de base (BS) qui couvre

une certaine zone gographique o se situent des utilisateurs immobiles ou en mouvement

relativement lent qui communiquent avec la BS selon le principe du point multipoint.

Ce rseau peut fournir des dbits importants et un passage lchelle en raison des capacits de

canal flexibles. Il offre une couverture importante, des services avec des exigences de QoS,

ainsi qu'une scurit importante.


10

I.5.2.2 IEEE 802.16m

IEEE 802.16m [12], est une amlioration du WiMAX (802.16-2004) et du WiMAX

mobile (802.16e) assurant la compatibilit avec les deux systmes. Les dbits thoriques

proposs par cette version atteignent 100 Mb/s en situation de mobilit, et 1 Gb/s quand la

station abonne est fixe. Le systme 802.16m peut oprer dans des frquences radio infrieures

6 GHz. IEEE 802.16m utilisera la technologie MIMO (Multiple Input / Multiple Output)

comme le Mobile WiMAX en proposant damliorer la technologie d'antenne pour obtenir une

bande passante plus grande. On peut voir le 802.16m comme une technologie qui profite des

avantages de la 3G et du 802.16 pour offrir un ensemble de services trs haut dbit

(Streaming vido, IPTV, VoIP).

I. 5.3 LUMB

LUMB (Ultra Mobile Broadband) [5] ou plus exactement CDMA2000 1xEV-DO

Revision C est le nom commercial de la prochaine version de la famille CDMA. Avec la

premire rvision A avec le CDMA, le dbit offert tait de 450 800 Kb/s vers des points fixes

uniquement. Ensuite, avec la rvision B il y avait une amlioration des dbits jusqu 46,5

Mb/s. La dernire rvision C propose ajoute la gestion de la mobilit de lutilisateur en grande

vitesse et offre des dbits thoriques lordre de 288 Mb/s en voie descendante, et 75 Mb/s en

voie montante. Elle propose aussi un environnement rseau qui se repose sur le principe de

tout-IP et dispose de passerelles permettant linterconnexion avec les rseaux de la famille

3GPP.

L'UMB repose sur une mthode daccs de type OFDMA (Orthogonal Frequency Division

Multiple Access) utilisant des mcanismes sophistiqus de contrle et de signalisation, une

gestion fine des ressources radio (RRM : Radio Resource Management), une gestion adaptative

des interfrences des liens retour (RL : Reverse Link) et la technique FDD (Frequency Division

Duplex). Elle utilise aussi des techniques avances dantennes comme MIMO (Multiple In

Multiple Out), SDMA (Space Division Multiple Access), et formation des faisceaux, tout en

restant compatible avec les normes antrieures.

Les lments du rseau et les interfaces formant larchitecture de lUMB sont :

Access Terminal (AT) : cest le priphrique sans fil compatible avec lUMB.

Access Gateway (AGW) : cest un routeur qui prsente le premier point de

rattachement au rseau IP.


11

Session Reference Network Controller (SRNC) : il est responsable du maintien de la

rfrence de la session avec lAT. Il est responsable aussi de la prise en charge de la

gestion du statut IDLE de lAT, et de la fourniture des fonctions de contrle de Paging

quand lAT.

Larchitecture de lUMB est prsente ci-dessous :

I. 5.4 Long Term Evolution (LTE)

I.5.4.1 Introduction

LTE [13] est la norme de communication mobile la plus rcente qui est propose par

lorganisme 3GPP dans le contexte de la 4G. Comme lIEEE 802.16m, elle propose des dbits

levs pour le trafic temps-rel, avec une large porte. Thoriquement, le LTE peut atteindre un

dbit de 50 Mb/s en lien montant et 100 Mb/s en lien descendant.

En ralit, lensemble de ce rseau sappelle EPS (Evolved Packet System), et il est compos

des deux parties :

Le rseau volu daccs radio LTE.

Le rseau cur volu appel SAE (System Architecture Evolution).

eBS

AT 1xEV-DO

BTS

EV-DO RNC/AN

SRNC

Packet-switeched Domain

Packet-switeched Domain

AGW

PDSN

HA

PCRF

UMB

1xEV-DO

Internet/Internet

IMS

AAA

Figure 1.9 Architecture de lUMB.Figure I.6: Architecture de l'UMB


12

Le seul inconvnient de cette nouvelle technologie est linstallation de ses nouveaux

quipements qui sont diffrents de ceux des normes prcdentes, et le dveloppement des

terminaux adapts.

I.5.4.2 Accs radio LTE

Pour offrir des dbits levs le LTE emploi la technologie OFDMA (Orthogonal

Frequency Division Multiple Access) dans le sens descendant, et le SC-FDMA (Single Carrier

- Frequency Division Multiple Access) dans le sens montant [14]. Le LTE respecte les dlais

requis par le trafic temps-rel. Le LTE respecte les dlais requis par le trafic temps-rel. Cette

technologie prend en charge la mobilit des utilisateurs en excutant le Handover une vitesse

allant jusqu 350 km/h.

Le LTE a pris en charge linterconnexion et linteroprabilit avec les normes 2G et 3G, et les

rseaux CDMA-2000.Contrairement la 3G qui ncessite dallouer une bande de frquence de

5 MHz, le LTE propose plusieurs bandes de frquences allant de 1.25 jusqu 20 MHz. Cela lui

permettra de couvrir de grandes surfaces.

I. 6 Lobjectif de la 4G

La 4G vise amliorer lefficacit spectrale et augmenter la capacit de gestion du

nombre de mobiles dans une mme cellule. Elle tente aussi doffrir des dbits levs en

situation de mobilit et offrir une mobilit totale lutilisateur en tablissant linteroprabilit

entre diffrentes technologies existantes. Elle vise rendre le passage entre les rseaux

transparent pour lutilisateur, viter linterruption des services durant le transfert

Intercellulaire, et basculer lutilisation vers le tout-IP.

I.7 Conclusion

Les rseaux de quatrime gnration posent une multitude de problmes, mais comme

jai pu voir dans cette tude bibliographique, il y a une multitude darchitectures et protocoles

qui essayent de les rsoudre. Dans le cadre de la 4me gnration de mobile (4G), plusieurs

technologies daccs sans fil sont prsentes lutilisateur. Ce dernier veut pouvoir tre

connect au mieux, nimporte o, nimporte quand et avec nimporte quel rseau daccs. Pour

cela, les diffrentes technologies sans fil, doivent coexister de manire ce que la meilleure

technologie puisse tre retenue en fonction du profil de lutilisateur et de chaque type

d'application et de service quil demande.

Chapitre II: La Technique MIMO

13

II. 1 Introduction

Les communications sur le canal radio-mobile se sont fortement dveloppes ces

dernires annes, aussi bien en termes de nombre dutilisateurs que de dbit par utilisateur.

Ceci entrane la saturation des ressources radiofrquence dans les lieux forte densit de

population.

Ds lors, il existe une forte demande pour augmenter lefficacit spectrale de ces

communications. Par ailleurs, les transmissions via le canal radio-mobile sont fortement

perturbes par les vanouissements du signal, d la fois aux trajets multiples et aux

interfrences entre symboles.

Ainsi, pour pallier ces inconvnients, une solution est tudie depuis quelques annes. Il sagit

dune architecture de transmission base sur lutilisation de plusieurs antennes lmission et

la rception. Ces architectures, dites MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), ont t

dveloppes par les laboratoires Bell en 1997 [15], [16]. Elles permettent datteindre la fois

de trs hautes efficacits spectrales et de lutter efficacement contre les vanouissements du

signal. Lide gnrale est de tirer profit de la dimension spatiale du canal et dexploiter les

trajets multiples plutt que de les supprimer.

II. 2 Phnomnes physiques caractristiques d'un canal de propagation

Dans un systme de transmission mono antennaire SISO, les diffrents obstacles

prsents entre l'metteur et le rcepteur (vallonnement du terrain, btiments, vgtation...)

entranent des perturbations du signal de diffrentes natures. Ces perturbations sont lies aux

phnomnes physiques mis en jeux, savoir la rflexion sur les surfaces lisses, la transmission

(ou rfraction) travers les parois, la diffraction par les artes ou les sommets et la diffusion

par les vgtaux ou les surfaces rugueuses. La direction de l'onde ainsi que l'amplitude, la phase

et la polarisation sont affectes par ces phnomnes qui gnrent des trajets multiples du signal

entre l'metteur et le rcepteur. De plus, de faon proportionnelle la vitesse avec laquelle le

mobile se dplace, des dcalages frquentiels appels dcalages Doppler sont introduits sur

chaque trajet arrivant sur l'antenne de rception et conduisent un spectre Doppler qui affecte

le signal en rception [17]. Ce phnomne de trajets multiples dtermine les principales

proprits du canal de propagation radiolectrique savoir:

la variabilit temporelle due aux modifications dynamiques de l'environnement de

propagation ;


14

la variabilit spatiale qui traduit un comportement diffrent du canal de propagation

lorsque l'metteur et le rcepteur sont mobiles. Elle se traduit par les variations grande

chelle et petite chelle du signal (slow and fast fadings) ;

la slectivit en frquence directement lie au phnomne de multi-trajets et illustre

par la rponse impulsionnelle ou la fonction de transfert du canal selon que l'on se place

dans l'espace des temps ou des frquences.

Dans un environnement de propagation quelconque, les diffrentes rpliques du signal

gnres par les multi-trajets sont plus ou moins corrles en temps, en frquence ou dans

l'espace et ne subissent pas les mmes affaiblissements si elles sont peu corrles. L'utilisation

conjointe d'un rseau d'antennes l'mission et la rception et la mise en uvre des

traitements adapts permettent de tirer partie de ces diffrentes diversits. Comparativement

aux techniques SISO, les techniques MIMO exploitent avant tout une dimension

supplmentaire du canal de propagation : la dimension spatiale qui peut tre caractrise par la

corrlation spatiale dans le canal. La corrlation spatiale du canal dpend du degr de

corrlation en mission d'une part et en rception d'autre part. Elle est fonction de facteurs tels

que l'espacement entre les antennes, les angles d'arrive et l'talement angulaire des signaux

intimement relis la distribution des obstacles dans le canal de propagation. Les variations de

polarisation du signal influent galement sur le degr de corrlation du canal.

Les phnomnes prcdemment prsents modifient le signal transmis [18]. De

nombreuses rpliques de ce signal sont ainsi cres. Celles-ci sont plus ou moins retardes

selon les longueurs des trajets effectus. Ds lors, elles sont plus ou moins attnues selon la

distance parcourue et selon les phnomnes de base rencontrs. A la rception, ces rpliques se

combinent de faon constructive ou destructive donnant naissance des vanouissements,

reprsents sur la figure II.1.

Les systmes de radiocommunications mobiles, que ce soit lintrieur ou lextrieur des

btiments, sont ainsi soumis aux distorsions induites par les trajets multiples. Cependant dans le

cas NLOS, les trajets multiples vitent linterruption de la liaison entre lmetteur et le

rcepteur.


15

Figure II.1 : Puissance reue en fonction de la distance

II. 3 Notions de diversit

La diversit est utilise dans les systmes de transmission pour combattre

lvanouissement petite chelle caus par les trajets multiples. En effet, si plusieurs rpliques

de linformation sont reues par des liaisons dont les vanouissements respectifs sont

indpendants les uns des autres, il y a une trs forte probabilit pour que lune de ces liaisons

au moins ne subisse pas de fortes attnuations augmentant ainsi la fiabilit de la liaison. La

diversit se rvle donc tre un outil trs puissant pour combattre les vanouissements et les

interfrences entre canaux de transmission, et permet notamment daugmenter la capacit et la

couverture des systmes radios. Les trois formes de diversit traditionnellement exploites en

communications numriques sont la diversit temporelle, la diversit frquentielle et la

diversit spatiale [19].

II. 3.1 Diversit temporelle

La diversit temporelle est utilise pour combattre les vanouissements slectifs en

temps, et consiste mettre plusieurs rpliques du signal (ou des versions redondantes) dans

des intervalles temporels spars dau moins le temps de cohrence du canal Tc (figure II.2).

Ce type de diversit est obtenu par lutilisation conjointe dun entrelaceur et dun code


16

correcteur derreur, ou encore par demande de rptition automatique. Le principal dsavantage

de ce procd est bien sr le retard induit par la diversit, et la baisse de dbit utile.

II. 3.2 Diversit frquentielle

La diversit frquentielle est efficace lorsque les vanouissements du canal sont

slectifs en frquence, et revient mettre le mme signal (ou des versions redondantes) sur

plusieurs frquences porteuses, dont lcartement frquentiel est dau moins la bande de

cohrence du canal Bc (figure II.3). La diversit frquentielle peut par exemple tre exploite

par lutilisation dune modulation multi-porteuse que nous allons prsenter dans le chapitre

suivant.

Figure II .3: Diversit frquentielle (Le mme signal est transmis sur plusieurs intervallesfrquentiels)

S(t)

S(t) W

Temps

Frquence

Bc

Figure II.2 : Diversit temporelle (Le mme signal est transmis sur plusieurs

intervalles temporels)


17

II. 3.3. Diversit spatiale

Dans ce travail, nous nous intressons plus particulirement la diversit spatiale, ou

diversit dantenne. Elle consiste mettre ou recevoir linformation par plusieurs antennes,

spares dans lespace dau moins la distance de cohrence, qui correspond la sparation

minimale des antennes garantissant des vanouissements indpendants et dpend donc de

langle de dpart et/ou darrive des multi-trajets. Cette distance de cohrence peut varier trs

largement selon le type et lemplacement de lantenne considre.

Des mesures empiriques ont montr une forte corrlation entre la hauteur de lantenne dune

station de base et la distance de cohrence [20]. De grandes antennes imposent ainsi une grande

distance de cohrence. Du ct du mobile, en revanche, gnralement plus bas en altitude et

donc soumis de nombreux chos, la distance de cohrence reste raisonnable. Dune manire

gnrale, une sparation de 0.4 0.6 semble adquate pour le mobile, alors que pour une

station de base, elle peut atteindre plus de 10 [21].

La diversit spatiale en rception, cest--dire lemploi dantennes multiples du ct du

rcepteur uniquement est un sujet dj bien prsent dans la littrature, et est notamment

lorigine des techniques de combinaison des rpliques abordes ci-dessous. Lobservation issue

de capteurs tant par ailleurs un mlange de signaux inconnus, la multiplicit des antennes

rceptrices permet aussi la sparation de sources [22].

En revanche, la diversit dmission est un domaine de recherche en pleine volution

depuis quelques annes. Lide de base est denvoyer linformation aprs un traitement

spcifique chaque antenne afin que le rcepteur puisse combiner ces signaux pour obtenir de

la diversit. Le premier systme utilisant la diversit dmission fut propos par Wittneben en

1991 [23], puis amlior en 1993. La diversit dmission est en fait une diversit de

modulation, et est lexpression la plus simple des rcents codes espace-temps.

La tendance actuelle est dassocier plusieurs antennes la fois lmission et la

rception, formant ainsi des systmes multi-antennaires plus connus sous le nom de MIMO

[24], et qui permettent datteindre de hauts degrs de diversit. Ces systmes, tudis plus en

dtail dans ce chapitre, rduisent clairement les fluctuations du signal et liminent les

vanouissements du canal.


18

II.4. Systme MIMO

Les techniques MIMO sont apparus dans les annes 90 grce Gerard. J. Foschini [15].

Le but tant daugmenter le dbit et la porte des rseaux sans fil, elles se basent sur

lutilisation de plusieurs antennes aussi bien du ct de lmetteur que celui du rcepteur. La

mise en place dune telle structure permet au systme utilis datteindre des dbits importants et

cela sans changer la largeur de la bande allou au signal ni sa puissance dmission.

De plus, le fait dutiliser plus dune antenne des deux cts du systme permet dapporter de la

diversit. Concrtement, plusieurs rpliques de la mme information sont transmises sur

plusieurs canaux ayant des puissances comparables et des vanouissements indpendants, et

donc, il est fort probable quau moins un, ou plus, des signaux reus ne soit pas attnu un

moment donn, rendant possible une transmission de bonne qualit. Cela a pour consquence

lamlioration du rapport signal bruit (en anglais Signal to Noise Ratio (SNR)) et donc du

taux derreurs binaires [1525].

Figure. II.4 : Systme de transmission MIMO avec Nt metteurs et Nr rcepteurs

II. 5 Les principes du MIMO

Comme cela a t expliqu prcdemment, la principale source des perturbations, que

subit un signal lors de sa propagation, est le canal. En effet, cause des phnomnes de

Emission

1

2

Nt

2

Nr

Rception

1


19

propagation multi-trajets, le signal subit des vanouissements, des dcalages frquentiels ou

mme temporels.

Contrairement aux systmes classiques, les systmes diversit prennent avantage de ces types

de propagation pour amliorer les performances du systme. Pour mettre en place ces

amliorations, les systmes MIMO exploitent les techniques de :

Diversit despace : Aussi connue sous le nom de diversit dantenne

diversit frquentielle : Cette technique demande lenvoi du mme signal sur

des frquences diffrentes. Il faut toutefois faire attention la largeur de bande

cohrente et ltendue frquentielle due aux multi-trajets et aux distances

franchir par la transmission.

diversit temporelle : Lorsque lon spare lenvoi du mme signal par le temps

cohrence du canal, il est possible de profiter de la diversit temporelle. Tout

dpend galement de la vitesse de dplacement du mobile et de la frquence

porteuse.

Un systme MIMO se caractrise par lutilisation de plusieurs antennes lmission

ainsi qu la rception. Lorsquun tel systme comprend, seulement, une seule antenne

lmission et plusieurs antennes la rception, il est nomm SIMO (Single Input Multiple

Output). De mme, lorsquil comprend plusieurs antennes la rception et une seule antenne

lmission, il est nomm MISO (Multiple Input Single Output). Finalement, si les deux cts

comptent une antenne chacun, le systme est dit SISO (Single Input Single Output) [26]

(figure II.5).


20

Figure II.5 : Schmas reprsentatifs du SISO, MISO, SIMO et MIMO.

MISO

SISO

Systme Tx Systme Rxh

h21

h11

Systme Tx .. Systme Rxhr1

SIMO

h12

h11

Systme Tx

h1r

.. Systme Rx

MIMOh11

Systme Tx ...

hrr

... Systme Rx


21

II.6. Modlisation d'un canal MIMO

Le systme MIMO gnralement utilis ici est un systme ayant Nt antennes d'mission

et Nr antennes de rception, que nous dsignons par la suite par MIMO (Nt ; Nr). Le signal reu

sur l'antenne (= 1; (; est la somme des contributions des symboles mis ,} {,

multiplie par le gain complexe des liaisons correspondantes :

ij

Nt

iiji nshy

1(2.1)

La figure II.6 prsente le modle d'un systme MIMO, l'quation (2.1) peut tre r-crite d'une

manire matricielle afin de la rendre plus synthtique :

= + (2.2)

O: = ] [ , = ] [

et = [ ]

La matrice canal est donne par :

=

(2.3)

Figure II.6: Le Systme MIMO.


22

Avec Hi j le coefficient complexe du canal entre l'ime antenne dmission et la j me antenne de

rception. En fonction de lenvironnement de propagation, de lespacement entre les antennes

ou mme de leurs polarisations, ces coefficients peuvent tre plus ou moins corrls entre eux.

Dans le but dexploiter, encore plus, la diversit quoffre un systme MIMO, diffrents

algorithmes de codage/dcodage ont t dvelopps; Dans la suite de notre travail, nous nous

intressons au codage espace-temps en bloc.

II. 7. Le codage spatio-temporel

Lors de limplmentation des systmes antennes multiples, conus afin damliorer

lefficacit spectrale, des approches diffrentes ont t proposes. Lapproche la plus classique,

consiste utiliser des antennes multiples la rception et dappliquer un combinateur taux

maximal (Maximum Ratio Combiner, MRC) aux signaux reus .Mais, cette approche prsente

linconvnient daugmenter la complexit du rcepteur. Considrant le contexte des rseaux

cellulaires o le terminal mobile doit avoir une complexit plus faible que la station de base

pour des raisons conomiques et pratiques (vu la taille du terminal mobile), il est plus

raisonnable (et plus pratique) dquiper de plus dune antenne la station de base que le terminal

mobile. Par consquent lapproche qui consiste quiper lmetteur avec des antennes

multiples a des consquences plus immdiates. Ainsi, dans le cas o lmetteur est muni de Nt

antennes rceptrices, nous devons dfinir quel est le traitement mapping ncessaire appliquer

aux signaux avant de les mettre sur les antennes mission. Ce traitement supplmentaire de

part et dautre du canal radio, mappeur/dmappeur, est spcifique aux systmes MISO et plus

gnralement MIMO en comparaison au systme SISO comme le montre la Figure. II.7 est

appel codage spatio-temporel ou codage espace-temps. En conclusion, ces codes permettent

dintroduire de la corrlation spatiale et temporelle entre les signaux mis dune manire

intelligente, afin qu la rception le signal reu soit bien dcod [27].

La question fondamentale qui se pose maintenant est, comment concevoir le codage spatio-

temporel afin doptimiser les performances de la liaison radio ? Les critres de performances

gnralement considrs sont :

Lefficacit spectrale elle sexprime en bit par seconde par Hertz. Nous cherchons

souvent avoir le dbit le plus lev possible. La limite ultime, o le dbit est le plus

lev possible, a t dfinie cest la capacit.


23

La robustesse la robustesse de la transmission varie souvent loppos de

laugmentation du dbit. Elle peut tre mesure par le taux derreur binaire (BER). En

effet, lors de ltude des codes espace temps proposs, le BER est le critre de

performance considr.

La complexit: il est important que la complexit du mappeur/ dmappeur spatio-

temporel soit la plus faible possible. Il est ainsi souhaitable davoir une conception des

schmas de transmission et de rception de telle faon que la complexit soit non

symtrique, avec la complexit la plus faible du ct aliment par des batteries (le

terminal mobile dans le cas des rseaux cellulaires).

Gnralement, ces critres de performances sont contradictoires. Ici vient le rle des ingnieurs

qui doivent faire des choix et des compromis selon les applications (mobilit, conditions du

canal physique, etc.) et les aspects conomiques afin davoir des systmes de transmission

MIMO les mieux optimiss.

II. 8- Construction du Code spatio-temporel en bloc

Le codage espace-temps en bloc (en anglais Space-Time Bloc Coding) a t prsent,

pour la premire fois par Alamouti en 1998 [28]. Cette approche prend avantage des

phnomnes de propagations multi-trajets, dans le but damliorer lefficacit spectrale des

systmes MIMO. Le principe consiste introduire une redondance dinformation entre deux

antennes dmission et amliorer ainsi la robustesse pour une mme puissance dmission mais

sans gagner du dbit. Alamouti a prsent son code avec, une configuration de deux antennes

l'mission avec une et deux antennes rceptrices respectivement. Le codage est fait en prenant

en compte les dimensions spatiale et temporelle do son nom. Le code dAlamouti nest

adapt quaux systmes possdant deux antennes lmission et Tarokh et al. [29, 30] ont

gnralis les codes spatio-temporels et ce quel que soit Nt.


24

Figure II.7: Principe de codage espace temps d'Alamouti

II.9. Codage spatio-temporel dans Le cas MISO

Le schma dun codage espace-temps appliqu un systme MISO avec deux antennes

en mission et une seule en rception est illustr sur la figure II.8

A la sortie du codeur espace-temps, les antennes dmission et envoient,

respectivement, les symboles et , durant le premier temps symbole . A temps symbole

daprs, les symboles s2 et s1 sont mis. Les canaux et sont supposs statiques

durant 1 et 2 .

Au niveau du rcepteur, le signal reu est la combinaison des symboles reus affects par les

diffrents canaux. De l :

...101101 ...S2S1Modulation

Codage

d'Alamouti

Tx1

Tx2

...-S2*S1

...S1*S2

Figure II.8: Schma d'un systeme MISO 2x1avec codage d'alamouti


25

= + ( 2.4 )

Avec = ] [ le vecteur signal reu, = [ ]

le vecteur canal, = [ ] le

vecteur bruit et S la matrice des symboles cods :

Le dveloppement des lments de lquation (2.4) mne au systme dquations suivant :

En conjuguant la deuxime quation du systme, on peut crire :

(2.7)

Alamouti a considr, dans son article, que les canaux h1 et h2 sont orthogonaux. Concrtement,

il scinde le canal MISO en deux canaux indpendants pour garantir une diversit dordre 2.

Mathmatiquement, cela veut dire que :

*1

*2

21

ss

sss

22*11

*22

122111

bhshsy

bhshsy

(2.5)

*2

*12

*21

*2

122111

bhshsy

bhshsy

(2.6)

*2

1

2

1

*1

*2

21

*2

1

b

b

s

s

hh

hh

y

y


26

22221 IhhHHHH cHcHcc (2.8)Avec:

*1

*2

21

hh

hhH c

Matrice hermitienne

I2 la matrice identit

Cette hypothse simplifie le calcul des symboles 1s et 2s estims la rception. On peut crire

alors :

2221*2

1

2

1

hh

y

yH

s

s Hc

bH

s

sHc

2

1

(2.9)

Avec = [ ] le vecteur de bruit rsultant.

II. 10. Codage spatio-temporel dans Le cas MIMO

Comme mentionn prcdemment, Alamouti a considr un systme MIMO avec deux

antennes en mission et deux en rception. Le traitement appliqu lantenne de rception dans

le cas MISO est appliqu chacune des deux antennes de rception dans ce cas.

Les canaux h1 et h2 dfinis prcdemment sont, cette fois-ci, des vecteurs contenant les

coefficients des canaux tablis, respectivement, entre lantenne et et les deux antennes

de rception. On crit alors = [ ] et = [ ]


27

Figure II.9: Schma d'un systme MIMO 2x2 avec codage Alamouti

A la rception = ] [ = ((1] (2) (1) (2)]

avec y1(1) et

y1(2) les symboles reus sur lantenne Rx1, respectivement, durant t1 et t2. De mme, les

symboles y2(1) et y2(2) sont reus sur lantenne Rx2, respectivement, durant les deux temps

symboles. En reprenant le calcul effectu dans le cas MISO et en ladaptant cette

configuration, on crit :

Et donc:

)2(

)1(

)2(

)1(

)2(

)1(

)2(

)1(

*2

*2

1

1

*2

*2

1

1

2

1

b

b

b

b

H

y

y

y

y

Hs

sHc

Hc Avec

*12

*22

*11

*21

2212

2111

hh

hh

hh

hh

H c (2.11)

)2(

)1(

)2(

)1(

)2(

)1(

)2(

)1(

*2

*2

1

1

2

1

*12

*22

*11

*21

2212

2111

*2

*2

1

1

n

n

n

n

s

s

hh

hh

hh

hh

y

y

y

y

(2.10)


28

Le MIMO permet donc denvoyer plusieurs signaux diffrents sur des antennes

diffrentes des frquences proches pour augmenter le dbit ou la porte du rseau. Sa

particularit passe donc par lutilisation simultane de plusieurs antennes, mettrices et

rceptrices. Ainsi il permet damliorer les performances des appareils, qui aujourdhui

connaissent des problmes lis la nature des ondes et leur comportement suivant

lenvironnement, ce qui diminue la qualit de transmission et donc le dbit ainsi que la porte.

Plusieurs standards, tels que le WiFI et le WiMAX, associent le MIMO dautres techniques

comme lOFDM dans le but damliorer encore plus les performances des systmes.

II. 11 Analyse de performance

Parmi les faits notables que lon tire des rsultats dAlamouti, on note que lutilisation

des schmes MRC et dAlamouti nous offrent une qualit de signal suprieur une simple

transmission de signal subissant une attnuation de Rayleigh ainsi que de linterfrence dun

bruit blanc gaussien.

On remarque galement que les courbes de qualit de transmission Alamouti (Tx : 2, Rx : 1) et

MRC (Tx : 1, Rx : 2) ont exactement la mme tendance, et sont donc quivalente. Par contre,

on remarque un dcalage en dcibel entre la courbe de BER selon SNR dans le cas Alamouti

(Tx : 2, Rx : 1) par rapport au cas avec MRC (Tx : 1, Rx : 2).

On note par notre simulation, le mme dcalage de diffrence entre les deux mthodes. Aussi,

selon Alamouti, on constate une amlioration croissante avec laugmentation du nombre

dantennes de rception. Alamouti postule que cette croissance peut se faire linairement. Autre

point, lorsque Alamouti a augment le nombre de rcepteurs pour le schme dAlamouti, le

faisant pass dun mode (Tx : 2, Rx :1) (Tx :2, Rx :2), on obtiens lquivalent MRC de

(Tx :1, Rx :4). Ainsi il en conclu que le degr de diversit dAlamouti est [2 x (Rx)], c'est--

dire un gain de diversit spatiale complet. [19]


29

Figure II .10: Comparaison des performances entre: systme MIMO Alamouti et MRC

II.11. Capacits

L'utilit des systmes MIMO en terme d'augmentation de capacit [31, 32] (dbit par

seconde par Hertz bits/s/Hz) a t dmontre ds les premires annes de recherche. Ceci leur

donne un intrt majeur dans la plupart des applications de communication sans fil. Pour

montrer cet intrt, nous allons calculer les capacits des trois systmes SISO, SIMO et MIMO

et observer les gains apports, en terme de dbit.

II.11.1 SISO

En effet un systme mono-antenne (SISO) tant perturb seulement par un bruit blanc

additif gaussien peut atteindre une capacit maximale de [33, 34] :

= log(1 + ( Bits/s/Hz (2.12)


30

O est le RSB en rception.

Pour de hauts RSB, nous pouvons voir qu'il faut un gain de 3dB au niveau du RSB pour

augmenter la capacit de 1 bit/s/Hz.

II.11.2 Systme SIMO

Pour un cas SIMO ou MISO (ici l'exemple sera donn en SIMO), le canal est constitu

de nR coefficients distincts, h = [h11;h21;... hnR1] o hi1 est le coefficient de canal entre l'antenne

d'mission et l'antenne de rception i. La capacit de (2.12) peut alors tre gnralise :

= log(1 + ) Bits/s/Hz (2.13)

II.11.3 Systme MIMO

En considrant la matrice de canal dfinie en (2.3) avec Nt antennes d'mission et Nr

antennes de rception, et en l'absence de connaissance du canal l'metteur (CSI, Channel

state information), la capacit est exprime alors comme suit [15, 19] :

= log +

Bits/s/Hz (2.14)

O : est la matrice identit de dimension Nr, et est le RSB moyen sur chaque antenne de

rception. Comme dans le cas SISO, la matrice de canal est considre normalise cest--dire

que les lments de H ont une variance unitaire. A fort RSB, la capacit dun canal de Rayleigh

peut tre approxime de la sorte :

C min(Nt, Nr) log

(2.15)

Ainsi, la capacit est amliore car le systme MIMO est quivalent min(Nt, Nr) systmes

SISO, La capacit augmente en fonction du nombre dantennes. Foschini [15] et Telatar [35]

ont dmontr tous les deux que la capacit donne par (2.15) augmente linairement avec

m = min(Nt, Nr) contrairement une croissance logarithmique en (2.12) et (2.13).


31

Figure II.11: Comparaison des capacits ergodiques pour diffrents systmes SISO, SIMO et

MIMO

Maintenant que les diffrentes capacits des systmes avec un canal de Rayleigh pour

diffrentes configurations matrielles SISO, SIMO et MIMO ont t prsentes, nous allons

pouvoir comparer la capacit ergodique l'aide de la figure II.11.

Pour le cas SISO, nous pouvons voir que la capacit crot lentement de 1,3 environ 10

bits/s/Hz pour un RSB allant de 0 30dB. Nous constatons effectivement qu' partir de 14 dB,

il faut bien une augmentation de 3 dB pour gagner 1 bit/s/Hz de capacit. La comparaison des

systmes SIMO et MIMO se fait avec un nombre total d'antennes identiques : SIMO (1,3) avec

MIMO (2,2) et SIMO (1,5) avec MIMO (3,3).

Pour les faibles RSB, les systmes SIMO ont une capacit plus importante que les

systmes MIMO, mais ds que le RSB augmente, le gain devient spectaculaire, ainsi pour un

RSB de 30 dB le systme MIMO (3,3) a quasiment une capacit double par rapport au SIMO

(1,5). De plus, plus le nombre d'antennes est grand et plus le croisement entre les courbes de

capacit du SIMO et du MIMO se fait dans les bas RSB.


32

A fort RSB, la figure II.11 met en vidence le rsultat de l'quation (2.15) : La capacit

des systmes (1,1), (1,3) et (1,5) crot mais pas de faon spectaculaire car m = 1, de plus, les

courbes ont une pente identique, la capacit des systmes (2,2) et (3,3) crot linairement et la

pente augmente en fonction de m. Dans un canal de Rayleigh, il est donc important d'utiliser

des systmes multi-antennaires MIMO par rapport aux SIMO.

II. Conclusion

Dans Ce chapitre on a prsent quelques gnralits sur le canal de propagation radio

mobile, puis nous avons dcrit la technique multi antennaire par ses dfrentes configurations

SISO, SIMO, MISO et MIMO.

Pour combattre les vanouissements, les solutions les plus efficaces sont les techniques de

diversit, quelle soit temporelle, frquentielle ou encore spatiale, ainsi quaux techniques de

combinaison.

Aprs avoir rappel ces gnralits utiles la comprhension de lensemble du travail, nous

allons aborder dans le troisime chapitre, ltude de la modulation multi porteuse ainsi que sa

combinaison avec un systme multi antennaire, une solution devient trs prometteuse pour les

nouvelles et futurs gnrations des communications sans fils.

Chapitre III: Association MIMO-OFDM

33

III.1 Introduction

LOFDM pour Orthogonal Frequency Division Multiplexing [36] est une

technique de modulation multi-porteuses sophistique a fait ses preuves dans le domaine de la

communication sans fil permettant aux technologies actuelles datteindre un dbit de

transmission lev. Elle est utilise dans la plupart des standards de communication. On peut

citer en autre, lADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) qui est une technique de

communication qui permet dutiliser une ligne tlphonique dabonn pour transmettre et

recevoir des signaux numriques des dbits levs (linternet haut dbit), le WI-FI, le

WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) appartenant la famille du

standard IEEE 802.xx et permettant la transmission de donnes sans fil haut dbit. La technique

de modulation OFDM est utilise dans la diffusion audio numrique (DAB pour Digital Audio

Broadcasting ) et dans la diffusion vido numrique (DVB pour Digital Video

Broadcasting ). Elle est en phase de normalisation dans le LTE (Long Term Evolution) pour

la future norme de rseau mobile de quatrime gnration (4G) [37].

Dans ce chapitre, Nous abordons le principe de la modulation OFDM, son historique ainsi que

sa description gnrale avec ses avantages et ses inconvnients. Nous parlons d'un systme de

transmission bas sur la modulation OFDM et on explique comment l'OFDM combat les

interfrences ISI/ICI dans un canal trajets multiples. Ensuite nous dcrirons la combinaison

MIMO-OFDM. Les techniques bases sur lassociation des modulations porteuses multiples

et de MIMO sont aujourdhui, reconnues comme des solutions fort potentiel pour les futurs

systmes de radiocommunication. La combinaison MIMO-OFDM permet dallier les avantages

des deux mthodes.

III. 2 La modulation OFDM

La modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est un type

particulier de transmissions multi-porteuses dont loriginalit est de multiplexer linformation

sur des sous-porteuses orthogonales. Dans lhypothse o les bandes passantes de ces sous-

porteuses sont suffisamment troites, les distorsions induites par un canal slectif en frquence

sont alors limites une simple attnuation sur chacune delles. Cette caractristique reprsente

un avantage certain pour cette modulation face une transmission porteuse unique, du fait de

la simplicit du Systme d'galisation ncessaire en rception. En outre, la condition

dorthogonalit des sous-porteuses permet leur recouvrement rciproque sans interfrence de


34

lune sur lautre et accorde donc une haute efficacit spectrale au systme. Enfin, les

interfrences entre sous-porteuses et les interfrences entre trames induites par le canal tant

fortement limites, lOFDM est une modulation particulirement apprcie pour les

transmissions sans-fil hauts-dbits.

On comprend alors facilement lengouement pour cette technique depuis les annes 90 ; bien

quhistoriquement, le concept existe depuis 1960.

III. 3 Historique

Depuis leur apparition, les communications OFDM et plus largement les systmes multi

porteuses, connaissent un dveloppement rapide d au vif intrt qui leur est port, aussi bien

par la communaut scientifique que par les industriels.

Lide dutiliser des porteuses frquentielles avec recouvrement FDM (Frequency Division

Multiplexing) robustes aux canaux slectifs et permettant une galisation peu complexe a vu le

jour dans les annes 1960 [38]. La difficult majeure dimplantation de la modulation rside

alors dans la ncessit de disposer dune banque doscillateurs sinusodaux en mission pour

gnrer les sous-porteuses et autant de dmodulateurs cohrents en rception. Cette difficult

rend alors impossible lexploitation des communications multi-porteuses et les transmissions

OFDM ne suscitent alors quun intrt acadmique. En 1971, Weinstein et Ebert [39] proposent

lutilisation de la transforme de Fourier discrte afin de gnrer la modulation et la

dmodulation des signaux multi-porteuses. Cette avance est alors dterminante pour les

communications OFDM puisque les avances dans le domaine du traitement des signaux

numriques liminent peu `a peu les contraintes matrielles lies `a la modulation.

Limplantation totalement numrique de la transforme de Fourier voit alors la dmocratisation

des communications OFDM.

A partir des annes 90, les transmissions OFDM simposent graduellement dans un grand

nombre de normes de communication.

III. 4 Principe de la modulation OFDM

Les modulations multi-porteuses comme lOFDM consistent rpartir les symboles sur

un grand nombre de porteuses bas dbit, loppos des systmes conventionnels qui

transmettent les symboles en srie, chaque symbole occupant alors toute la bande passante

disponible.


35

Pour rpartir les donnes transmettre sur les N porteuses, les symboles sont groups par

paquets de N. Les symboles ) = + ( sont des nombres complexes dfinis partir

des lments binaires par des constellations souvent de type MAQ 4, 16, 64, 2n tats.

La squence de N symboles , , , constitue un symbole OFDM. Le kime symbole

module un signal de frquence fk. Le signal rsultant scrit sous forme complexe :

() = (3.1)

Lenveloppe complexe du signal s(t) = sI (t) + jsQ(t) correspondant lensemble des N

symboles rassembls en un symbole OFDM (figure III.1) :

O T est la dure du symbole OFDM.

Les frquences sont dites orthogonales si lespace entre deux frquences adjacentes fk et fk+1 est

1/T. Cette orthogonalit se justifie mathmatiquement en considrant le produit scalaire usuel

dans lespace vectoriel dfini par la base des exponentielles complexes. En effet, chaque

porteuse modulant un symbole pendant une fentre rectangulaire temporelle de dure T, son

spectre en frquence est un sinus cardinal, fonction qui sannule tous les multiples de 1/T

(figure III.2). Dans ce cas,

O f0 reprsente la premire frquence de la bande du signal. Ainsi, lorsque lchantillonnage

est effectu prcisment la frquence fk dune sous-porteuse, il ny a aucune interfrence avec

les autres sous-porteuses. Cest ce qui permet de recouvrir les spectres des diffrentes porteuses

et dobtenir ainsi une occupation optimale du spectre.

(3.3)

(3.2)


36

III. 5 Ralisation numrique des oprations de modulation et de dmodulation

Dans les communications haut dbit, les dbits sont limits par des contraintes

physiques : le bruit d aux imperfections des systmes et la nature physique des composants

affectent la transmission du signal mis. On rduit dans ce cas les erreurs de transmission en

numrisant les informations. De plus limplantation numrique offre aussi lopportunit

dajouter des codes correcteurs derreurs afin de protger le signal des perturbations engendres

par le canal de transmission.

Figure III.1: Schma de principe du modulateur OFDM

Figure. III.2 : Allure de lensemble des spectres des porteuses dun symbole OFDM


37

Cependant, la ralisation pratique de la modulation OFDM de faon directe (avec des

oscillateurs et des mlangeurs) implique un circuit dune complexit prohibitive.

Heureusement, il est possible de raliser respectivement le modulateur et le dmodulateur par

des Transformes de Fourier Discrte Inverse (IDFT et DFT, via lalgorithme de lIFFTet FFT,

si N est une puissance de 2).

la gnration dune trame OFDM N sous-porteuses, en bande de base dans le domaine

complexe et en temps discret par chantillonnage `a taux de Nyquist tel que K = N, est la stricte

application de la transforme de Fourier discrte inverse (TFDI) un coefficient 1/N prs sur

les symboles issus dune modulation numrique complexe utilise pour encoder linformation

binaire.

Dans la suite de ce manuscrit nous poserons X = {X0, X1,..., XN-1} comme les N sous-porteuses

modules constituantes du signal OFDM dans le domaine frquentiel.

Dfinition - Un signal OFDM en bande de base complexe est obtenu par application dune

transforme de Fourier discrte inverse sur N chantillons :

= {} (3.4)

=

, 0 < (3.5)

La dmodulation dun signal OFDM est donc lopration duale utilisant la transforme de

Fourier discrte (TFD) telle que :

= {} (3.6)

=

, 0


38

III. 6 Proprit dorthogonalit

La proprit dorthogonalit est fondamentale en OFDM puisquelle permet de

conjuguer une grande efficacit spectrale avec une lutte efficace contre les interfrences entre

les sous-porteuses dune trame. En effet, lorthogonalit des sous porteuses leur autorise un

recouvrement rciproque partiel. LOFDM utilise cette proprit dans le domaine frquentiel en

diffusant des informations indpendantes sur chacune delles. Durant la transmission dune

trame sur un quelconque canal de propagation, et plus forte raison lors de communications

Figure III.3 : Modulateur OFDM numrique

Figure III.4 : Dmodulateur OFDM numrique


39

sans-fil, il convient de protger cette orthogonalit, condition essentielle au maintien des

bonnes performances du systme.

III. 6.1 Notion mathmatique

Dfinition:

- On considre que des signaux sont orthogonaux les uns des autres sils sont mutuellement

indpendants. Mathmatiquement, cette condition est tablie pour deux signaux a(t) et b(t) si :

() =() 0 (3.8)

Les fonctions a(t) et b(t) sont alors orthogonales sur lintervalle dintgration [0 T].

III. 6.2 Orthogonalit des sous-porteuses en OFDM

En considrant la formalisation mathmatique dune trame OFDM en temps continu et en

bande de base complexe, quation (3.1), il vient alors de lequation (3.8) :

L'quation (3.9) est donne pour deux sous porteuses n1 et n2 de frquence fn1 = n1/T et

fn2 = n2/T et en considrant les symboles complexes C1=C2=1.on obtient ainsi que:

(3.10)

L'quation (3.10) dmontre que lensemble des N sous-porteuses dune trame OFDM sont

orthogonales. Dun point de vue spectral, ce rsultat est dautant plus intressant que le spectre

en frquence de chaque porteuse est centr sur la frquence fn = n/T. Ainsi, leur recouvrement

(3.9)


40

partiel est autoris la condition que la somme des spectres chaque frquence fn soit

uniquement dpendante dune sous-porteuse.

Chaque sous-porteuse sinusodale possde une rponse frquentielle en sinus cardinal, due

leur fentrage temporel par une fonction porte de dure T. Comme le montre la figure III.5, la

rponse en sinus cardinal possde un lobe central de grande amplitude et de largeur 1 /T ainsi

que de multiples lobes secondaires dont lamplitude dcroit avec l'loignement `a la frquence

centrale fn. La proprit dorthogonalit fait correspondre, chaque frquence centrale dun

lobe principal dune sous-porteuse, une amplitude nulle pour les autres. Lors de la dtection des

signaux, et condition que la synchronisation soit pleinement assure, la dcision se situe donc

au sommet de ces lobes principaux. Les zones de recouvrement aux frquences adjacentes

netant pas considres par le rcepteur, lefficacit spectrale de la modulation peut tre ainsi

maximise en minimisant lespace entre les sous-porteuses ce qui rduit, de fait, loccupation

de linformation sur la bande du signal.

Figure III.5: Spectre en frquence dune trame OFDM : reprsentation des sous-porteuses

constituantes, N = 4, T = 1 s.

III.7 Interfrences entre porteuses et symboles

La figure III.6 illustre les interfrences lies aux trajets multiples provoquant des chos

la rception. Pour l'exemple, deux trajets sont considrs, un principal et un retard. La

rception de la trame i pendant le temps d'intgration T est la somme des diffrents signaux

issus des diffrents trajets.


41

Figure III.6: Propagation des trames OFDM sans intervalle de garde : retards,

trajets multiples et interfrences

Deux observations peuvent tres faites ici :

1. Le dbordement de la trame retarde i-1 sur la priode d'intgration du signal issu du

trajet principal est une interfrence entre symboles qui provoque des distorsions sur les

premiers chantillons du signal d'intrt et dont l'effet est la perte d'orthogonalit des

sous-porteuses. La consquence directe est une rduction importante de la performance

de la transmission.

2. Aussi, l'influence de l'cho de la trame i sur elle-mme induit une interfrence entre

porteuses. Selon la phase des chantillons, il en rsulte des ajouts constructifs ou

destructifs sur le signal vhicul par le trajet principal.

Les IES et IEP entretiennent une relation troite. Du fait de la dispersion en temps des canaux

de communication, il est vident que la condition d'orthogonalit est largement menace. Afin

de s'assurer de sa prservation, il convient dutiliser un intervalle de garde en temps afin

d'assurer que les avances ou retards de trames adjacentes n'influent pas en rception.

tTrajet 1

i-1 Trame i i+1

tTrajet 2

IES IEP

T


42

III.8 Intervalle de garde

L'intervalle de garde est insr chaque dbut de trame, prolongeant la dure d'un

symbole OFDM = + . La priode d'intgration reste nanmoins la mme puisque

l'intervalle est supprim `a la rception. En choisissant un intervalle de garde au moins aussi

long que le retard maximum induit par le canal de communication [40], comme montr la

figure III.7, les trames adjacentes i n'interfrent plus pendant la priode d'intgration T du

symbole. Les IES sont alors vites et toutes les composantes du signal sur T sont issues de la

mme trame en fonction des chos. L'intervalle de garde est donc lment essentiel des

communications OFDM pour s'affranchir des IES.

Figure III.7: Insertion dun intervalle de garde en temps en OFDM.


43

La figure suivante montre une chaine de transmission base d'une modulation OFDM:

Figure III.8: Schma Bloc d'un systme OFDM [21]

III.9 Avantages et inconvnients de lOFDM

Contrairement aux transmissions mono porteuses, un des grands avantages de la

modulation OFDM consiste en la simplicit de lgalisation des distorsions. Ceci permet

davoir des rcepteurs simples et peu couteux.

Les principaux avantages et inconvnients de la modulation lOFDM sont nombreux, on peut

en citer:

Une utilisation efficace des ressources frquentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage frquentiel. Ceci est principalement d au fait

que dans lOFDM, les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonalit

parfaite.

Les techniques multi porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque chaque sous

porteuse est affecte dun bruit indpendant des autres porteuses. contrairement aux

modulations mono porteuses, o le bruit peut affecter un certain nombre de symboles

transmis, la perte dun symbole d un bruit important naffecte pas les autres

symboles.

X[k] x[n]

x(t)Input

DataS/P

N-pointIFFT

AjoutTg P/S D/A

Modula-tion

...

......

y(t)A/DS/P

...

SuppressionTg

...

N-pointFFT

...P/SDmodulation

Output

Data

y[n]Y[k]

Can

al

Emetteur

Rcepteur


44

Les techniques OFDM ont une trs grande flexibilit dans lallocation du dbit dans

un contexte multi utilisateurs. En effet, en fonction de la valeur du gain instantan du

canal, chaque sous porteuse peut tre code indpendamment des autres porteuses.

Plus les perturbations samplifient, plus la technologie perd de son intrt car il faut

alors mettre en place des mthodes de filtrages ou de codages qui rduisent

grandement les dbits.

LOFDM est galement trs vulnrable aux problmes de dcalage en frquence

(Frequency offset) et de synchronisation [41]. En effet, la frquence offset engendre

des interfrences ICI qui peuvent dtruire lorthogonalit entre sous porteuses.

III.10 Association MIMO-OFDM

L'association des deux systmes MIMO et OFDM permet d'amliorer les

performances d'un systme de communication sans fil. Afin de raliser cette combinaison, on

applique l'OFDM sur plusieurs antennes qui transmettent les informations en parallle [42].

III.11 Principe de lassociation MIMO et OFDM

Comme nous venons de le voir, une des techniques les plus efficaces pour amliorer

lefficacit spectrale dune communication radio est lutilisation dantennes multiples

lmission et la rception. Dans ce qui suit, nous considrons un systme MIMO utilisant la

modulation OFDM, o lmetteur et le rcepteur sont munis respectivement de Nt et Nr

antennes. Les antennes sont alignes et uniformment espaces. La distance relative entre deux

antennes adjacentes est donne par : =

, o d est lespace sparant deux antennes et la

longueur donde. La figure 3.9 prsente le schma de la chane de transmission pour un

systme MIMO-OFDM.


45

Figure III.9 : Principe dun systme MIMO-OFDM

Dans ce qui suit, nous dcrivons le parcours suivi par le message comme il est illustr dans la

figure III.9 :

1. la squence binaire passe travers un modulateur numrique. Ce dernier associe

chaque squence de m bits un symbole complexe selon une constellation de taille 2m.

2. les symboles complexes sont par la suite rpartis afin quils soient transmis sur les Nt

antennes de transmission. Comme le systme MIMO tudi considre la modulation

OFDM, nous disposons lentre du canal de N Nt chantillons mettre, o N

reprsente le nombre de sous-porteuses pour le signal OFDM. Ainsi lutilisation dun

modulateur espace-temps savre tre une solution efficace afin de profiter des

ressources en espace, temps et frquence prsentes,

3. les symboles passent ensuite travers le modulateur OFDM avant dtre filtrs par le

filtre de mise en forme,

4. le signal analogique rsultant est transmis travers le canal radio, o il se trouve affect

par le milieu de propagation,

N1

Nt

FFT

FFT

Dcodage

STBCDmodula-

tion

Message Reu ...

Entre binaireModulation

IFFT

CanalMIMO

STBC

IFFT

...

N1

Nr


46

5. la rception, le rcepteur antennes multiples est constitu dun filtre adapt au filtre

limiteur de bande utilis lmission, du dmodulateur OFDM, du dcodeur espace

temps, du dmodulateur numrique.

III.12. Description signal MIMO-OFDM

Un systme MIMO-OFDM dpend du schma d'Alamouti STBC [28] N sous-

porteuses, Nt antennes d'mission et Nr antennes de rception.

Si nous exprimons le vecteur de donnes pour le i-me antenne d'mission avant la transforme

de Fourier rapide inverse (IFFT) comme , alors le vecteur transmis peut tre note [43]

:

= () (3.11)

Ainsi, le vecteur de donnes est donne par:

= ,((1,((0] ), 1)] (3.12)

Dans le domaine temporel discret, un signal MIMO-OFDM ) ) de N sous-porteuses s'crit

comme suit:

) ) = (1 ) ( ) exp2

0 1,1

(3.13)


47

Pour illustrer lintrt de lassociation des systmes MIMO avec la modulation OFDM,

nous allons comparer les performances en terme de BER (Taux dErreur Binaire) des deux

systmes Pour avoir une bonne comparaison, il faut mettre les deux systmes dans les mmes

conditions, cest dire avec la mme puissance mise, la mme bande passante et le mme

dbit. Pour obtenir le mme dbit il faut augmenter le nombre de bits par symbole pour

lOFDM. Sur la figure III.10. Les performances du MIMO-OFDM sont nettement meilleures,

illustrant pour cet exemple la nette amlioration des performances du systme MIMO OFDM

par apport au systme SISO OFDM.

Figure III.10: Comparaison performances systme MIMO-OFDM et SISO-OFDM

III. 12 Conclusion

Dans ce chapitre, on a prsent la combinaison du systme multi-Antennaire MIMO avec

la modulation multi-porteuses. Aprs avoir dtaill le principe de l'OFDM une description de la

combinaison MIMO-OFDM a t faite.

BE

R

Chapitre III: Association MIMO-OFD

Documents

Réduction du PAPR du système OFDM-MIMO en 4G · IV.7.1 Application de l'algorithme proposé sur un système MIMO-OFDM 69 IV.7.2. ... WMAN Wireless Metropolitan Area Network x-DSL