Enjeux et propositions sur les architectures RF pour l’homme connecté à la société numérique Guillaume VILLEMAUD, Florin Hutu, Tanguy Risset, Jean-Marie Gorce Journées Scientifiques URSI 2014 26 mars 2014
Le CITI en bref… Urbanet (H. Rivano)
Privatics
Networking Radiocoms
Socrate
L’homme connecté à la société numérique
(D. Le Metayer)
Personal Data
(T. Risset)
Embedded systems
Distributed Systems
Dice (S. Frénot)
Dynamid (F. Le Mouël)
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Le contexte Nouveau challenge: « L’homme connecté à la société numérique »
Les enjeux: Continuité de services Convergence/hétérogénéité Autonomie Acceptabilité Evolutivité
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Sur les architectures radio
Les enjeux: Continuité de services Convergence/hétérogénéité Autonomie Acceptabilité Evolutivité
Hautes Performances Multi-*
WSN et réseaux domestiques
Radio logicielle
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Terminaux hautes performances Coexistence des interfaces radios
802.11a/b/g/n/ac/p WiMax LTE-Advanced BAN Femtocell Multi-antenne (MIMO) Multi-standard Multi-bande Multi-canal Multi-??? G. Villemaud – Journées URSI 2014
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Focus 2: les récepteurs multi-* La multiplication des standards implique une complexité croissante des architectures RF
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Points clés des systèmes multi-* BER / Energy
Integration Antenna coupling Channel correlation
Multi-* architecture Dirty RF Components pooling
Sensing Relay Resource sharing
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Joint processing SDR Green Radio Implementation Reconfiguration
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Quelques pistes Single RF MIMO (ex: ESPAR) Spatial Modulation Massive MIMO Nouvelles formes d’ondes (GFDM/FBMC)
Mutualisation hardware
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Récepteur multi-canal multi-antenne But: permettre la réception de canaux recouvrants dans la bande WiFi à 2.4 GHz
1ère phase: ADS+plateforme radio 2ème phase: SDR
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Récepteur multi-bande Principe de la double translation orthogonale: double IQ
I.Burciu, M.Gautier, G.Villemaud et J.Verdier, “METHOD FOR PROCESSING TWO SIGNALS RECEIVED BY A SINGLE TERMINAL”, WO/2010/031944, Mars 2010
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Evaluation de la consommation Comparaison avec un empilement de frontaux pour le cas UMTS-WiFi ADC
200 mW
V LNA π/2 ADC
+ LNA
π/2
ADC
ADC
V LNA
Power (mW)
V
ADC
π/2
140 120 100 80
Stack-up Double IQ
60 40 20 0 LNAs
π/2 ADC
Mixers
Freq Synth
BAs
ADC
V
250 mW
π/2 LNA
ADC
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ADCs
Multi-bande, multi-antenne Récepteur LTE-Advanced pour bandes fractionnées et MIMO 100MHz
Fractional bandwidth
20MHz Frequency
100MHz
20MHz Frequency
. . .
MIMO Channel
. . .
33% less consuming G. Villemaud – Journées URSI 2014
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Les relais multi-*
Simulateur réseau: WSNet
Application possible dans le domaine des BAN
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Réseaux domestiques FUI EconHome: Wake-Up radio
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Réseaux à fort duty cycle Full-Duplex: émission et réception simultanée Problème principal: l’auto-interférence Suppression niveau antenne, analogique et numérique
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SDR: Réseaux de collecte
Jusqu’à plusieurs milliers de nœuds par passerelle (faible duty cycle)
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Nouveaux outils: FIT-CorteXlab Plateforme expérimentale de 200 m² faradisée et partiellement anéchoïsée basée sur des nœuds SDR programmables à distance.
42 PC industriels Aplus
24 Cartes USRP National Instruments
18 picoSDR Nutaq (5 MIMO 4x4, 13 MIMO 2x2)
www.cortexlab.fr G. Villemaud – Journées URSI 2014
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Conclusion L’hétérogénéité des liens radio nécessaires pour connecter l’homme au monde numérique induit de nouvelles approches de conception des architectures radio. La consommation énergétique est devenue un enjeu prépondérant : coût, autonomie, acceptabilité… La balance entre parties analogiques et numériques des terminaux peut permettre plus de flexibilité et peut permettre de nouvelles métriques d’optimisation des réseaux.
Les enjeux sociétaux doivent aussi impacter les choix sur les architectures radio: consommation, rayonnement, sécurité, privacy…
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Merci de votre attention, des questions ?
[email protected] G. Villemaud – Journées URSI 2014
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Validations expérimentales E4438C ESG Vector Signal Generator
89641 Vector Signal Analyser
Real channel
802.11g 16 QAM AWGN - SISO
1,0E+00
802.11b
1,0E-01
1,0E-02 BER
GS I M O
1,0E-03
1,0E-04
theory simulation measure
1,0E-05 4
6
8
10
12 SNR - dB
14
16
18
20
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Prototype Première expérience de développement d’un prototype à base de radio logicielle ADC
I Q I Q
ADC
ADC ADC
RF Front-End + ADC (France Télécom)
I Q I Q
F P G A
DSP 1 DSP 3
DSP 2 DSP 4
F P G A
DSP 1 DSP 3
DSP 2 DSP 4
PCI
Digital Processing
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PC
Exemple de résultats NLOS
SNR variable
Δ=10 MHz
Multi-*
SNR BER=5x10-3
802.11g received power (dBm)
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Prise en compte des défauts IQ
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Algorithme adaptatif
LMS
Iterative process
Low complexity: O(N)
Slow Convergence
sBB1(t)
+
SMI
Block processing
Complexity : O(N3)
Instantaneous resolution
sBB2(t)
Adaptive to power level of complementary signal
Complexity tradeoff
W
SMI
Hybrid Algorithm
LMS
Power Estimation
sref1(t)
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sout1(t)
-
Focus 2: les récepteurs multi-* 1.E+00 Empilement de front-ends
1.E-01
BER 802.11g
DIQAlgoAdaptatif DynamiqueAGC=40dB DIQAlgoAdaptatif DynamiqueAGC=30dB
1.E-02
DIQSanscorréction DynamiqueAGC=40dB
1.E-03
DIQSanscorréction DynamiqueAGC=30dB 1.E-04 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Eb/N0
0.7
Front-end Double IQ Front-end Double IQ & Algo Adaptatif Front-end stack-up
0.6 BER @ 1 Trame
Power (dBm) @ 1 Trame
-30
-40
-50
-60
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
Signal Complémentaire@ Output LNA
-70 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0
10
20
30
Index de trame
40
50
60
70
Index de trame
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25
80
90
100
Nouvelles applications BAN: Guardian angel (raté), BQR INL, SMACS Euromedia Réseaux urbains: Orange, BQR Price Véhiculaire: Valeo, Michelin
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Optimisation des ressources Terminaux flexibles multi-*: une gestion globale de l’allocation des ressources analogiques et numériques en fonction du contexte (sous contrainte de performance et de consommation) Tx Front-End
Rx Front-End
Standard 1 DSP
DAC
PA
[H]
BPF
LNA
ADC
DSP
LNA
ADC
DSP
LNA
ADC
[H] DSP
BPF
DAC
PA
DAC
PA
BPF
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Démonstrateur ADC
V LNA π/2
Couche Physique 802.11g
+ -
Couche Physique UMTS
ADC
+
ADC
π/2 π/2
LNA
ADC
BER Simulation BER Mesure 1.E-01
Front-end
BER 802.11g
V
+ -
1.E-02
1.E-03
1.E-04 11
12
13
14
15
16
17
18
Eb/N0
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19
20
Performances mesurées Simulated performance
ADS Technologies
1.E-01
BER
1.E+00
1.E-02 1.E-03 Double Structure - SISO Double Structure - MIMO Stack-up - SISO Stack-up - MIMO
1.E-04 1.E-05
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Eb/N0(dB) 1.E+00
Measured Performance
Bits In 2
AWGN channel
1.E-01
BER
1.E-02
1.E-03
Double Structure - SISO Double Structure - MIMO Stack-up - SISO Stack-up - MIMO
1.E-04 0
1
2
3
4
5
6
Eb/N0(dB)
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29
7
8
